Luận văn: Tính toán lựa chọn vị trí, số lượng, dung lượng thiết bị bù hợp lý trong lưới điện phân phối pdf

Luận văn
Tính toán lựa chọn vị trí, số lượng,
dung lượng thiết bị bù hợp lý trong
lưới điện phân phối
1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
MỞ ĐẦU
Cùng với quá trình Công nghiệp hoá và hiện đại hoá Đất nƣớc, nhu cầu phụ tải
không ngừng gia tăng. Sự xuất hiện của các khu công nghiệp đòi hỏi sự tiêu thụ
công suất phản kháng tăng lên nhanh chóng, điều đó làm tăng tổn thất điện năng,
công suất và chi phí truyền tải điện năng, giảm hiệu quả sử dụng mạng điện, đồng
thời làm giảm hệ số công suất cos và chất lƣợng điện năng. Sự tăng tổn thất do
suy giảm hệ số cos buộc các nhà kinh doanh điện năng phải áp dụng bảng giá phạt
đối với các hộ dùng điện có hệ số cos thấp. Chính vì vậy nhiệm vụ bù công suất
phản kháng đƣợc đặt ra không chỉ đối với hệ thống điện, mà cả các hộ dùng điện.
Đề tài “Tính toán lựa chọn vị trí, số lượng, dung lượng thiết bị bù hợp lý trong
lưới điện phân phối ” đƣợc thực hiện nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách nói trên.
Khác với công suất tác dụng, công suất phản kháng trong hệ thống điện đƣợc
sản sinh ra cũng nhƣ đƣợc tiêu thụ dƣới rất nhiều hình thức. Một số phần tử hệ
thống điện chỉ tiêu thụ công suất phản kháng, một số khác vừa tiêu thụ vừa có thể
sinh ra công suất này. Sự tiêu thụ và tạo ra công suất phản kháng thay đổi phụ thuộc
vào nhiều yếu tố khác nhau. Vấn đề “bù công suất phản kháng” là một vấn đề hết
sức phức tạp, liên quan đến rất nhiều tham số chế độ cũng nhƣ các tham số hệ
thống, mà không ngừng biến đổi theo thời gian. Đã có nhiều tác giả áp dụng các kết
quả nghiên cứu của các nƣớc khác nhau trong việc giải bài toán bù công suất phản

kháng. Tuy nhiên, đối với mạng điện phân phối nƣớc ta, vấn đề bù công suất phản
kháng mới chỉ đƣợc đề cập đến ở một số khảo sát, đánh giá. Các cụm tụ bù đƣợc
xây dựng một cách tự phát, chƣa có những nghiên cứu và tính toán một cách khoa
học, nên sự làm việc của các thiết bị bù chƣa mang lại hiệu quả đáng kể, thậm chí
có một số nơi khi các thiết bị bù làm việc trong mạng thì lại dẫn đến tăng tổn thất và
giảm chất lƣợng điện. Trong khi thị trƣờng công suất phản kháng ở nhiều nƣớc trên
thế giới diễn ra hết sức sôi động, thì ở nƣớc ta công suất phản kháng chƣa thực sự
đƣợc coi là một dạng hàng hoá mà mới đƣợc trao đổi dƣới dạng phạt hệ số cos .
Theo nghị định số 45/2001/NĐ-CP của chính phủ về việc sử dụng điện, nếu khách
2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
hàng dùng điện với hệ số cos nhỏ hơn 0,85 thì sẽ phải trả thêm tiền mua điện năng
tác dụng theo một hệ số phạt k luỹ tiến (hệ số cos càng nhỏ thì hệ số k càng lớn).
Tuy nhiên trong thực tế vấn đề phạt hệ số cos thấp diễn ra hết sức tuỳ tiện và thiếu
thống nhất. Điều đó cũng dễ hiểu vì thực tế cái mốc phạt cos nhỏ hơn 0,85 đƣợc
đặt ra chƣa dựa trên cơ sở tính toán khoa học. Mặt khác khi khách hàng có hệ số
cos lớn hơn mức quy định thì lại chƣa đƣợc đề cập đến…
Đề tài sẽ tính toán và đề xuất mô hình bù công suất phản kháng, các tiêu chuẩn
đánh giá chất lƣợng điện.
3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG
LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

1. Sự tiêu thụ công suất phản kháng của các thiết bị:
Nhƣ đã biết, các thiết bị điện từ khi làm việc sẽ tiêu thụ từ lƣới một dòng
điện bao gồm các thành phần: phụ tải, tổn thất, dòng điện tản (dòng rò) và dòng từ

hoá. Tức là cùng với việc tiêu thụ một lƣợng công suất tác dụng để sinh công, các
thiết bị điện còn tiêu thụ một lƣợng công suất phản kháng. Lƣợng công suất phản
kháng mà các thiết bị điện tiêu thụ phụ thuộc vào đặc tính của chúng, các động cơ
không đồng bộ, máy biến áp vv… là những thiết bị tiêu thụ nhiều công suất phản
kháng. Theo số liệu thống kê, thì lƣợng công suất phản kháng do động cơ không
đồng bộ tiêu thụ chiếm tỷ trọng lớn nhất (khoảng 65 75%), tiếp theo là máy biến áp
khoảng 15 20% và các đƣờng dây 5 8%.
Mức độ tiêu thụ công suất phản kháng đƣợc đánh giá bởi hệ số công suất, mà
đƣợc xác định bởi tỷ số giữa công suất tác dụng (P) và công suất biểu kiến (S)
cos =P/S.
cos =
UI
P
S
P
3
; (1.1)
Trong thực tế vận hành giá trị cos thƣờng đƣợc xác định theo công thức
cos
tb
=
2
)(1
1
r
x
A
A

Trong đó:

A
r
, A
x
- điện năng tác dụng và phản kháng trên thanh cái trạm biến áp
P – công suất tác dụng;
4

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Để thuận tiện cho việc phân tích và tính toán, đôi khi ngƣời ta thƣờng dùng
khái niệm hệ số tg thay cho hệ số cos , đó là tỷ lệ giữa công suất phản kháng và
công suất tác dụng: tg = Q/P. Tuy nhiên hệ số tg chỉ áp dụng trong các bƣớc tính
trung gian, kết quả cuối cùng lại đƣợc chuyển về hệ số cos tƣơng ứng.
Khi cos của thiết bị điện càng lớn, tức là mức độ tiêu thụ công suất phản
kháng càng bé, vì vậy làm cho mức độ yêu cầu về Q từ lƣới ít, nó góp phần cải
thiện chế độ làm việc của lƣới. Hệ số cos của các hộ tiêu thụ lại phụ thuộc vào chế
độ làm việc của các phụ tải điện. Khi hệ số cos thấp sẽ dẫn đến sự tăng công suất
phản kháng, sự truyền tải công suất phản kháng trong mạng điện làm giảm sút các
chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật của mạng điện nhƣ:
a) Làm tăng tổn thất công suất và tăng đốt nóng dây dẫn
Tổn thất công suất trong mạng điện đƣợc xác định theo biểu thức.
R
U
QP
RIP
2
22
2
3
= P

r
+ P
x
(1.2)
Khi truyền tải điện năng trong mạng điện cao áp do điện trở phản kháng lớn
nên thành phần tổn hao công suất phản kháng thƣờng lớn hơn thành phần tổn thất
công suất tác dụng. Đặc biệt đối với máy biến áp thành phần tổn thất công suất phản
kháng chiếm tỷ lệ rất lớn. Chẳng hạn đối với máy 320 kVA 10/0,4 thì P%= 2,4
còn Q% = 3,2 .
b) Tăng tiết diện dây dẫn
Khả năng truyền tải của đƣờng dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện
phát nóng cho phép, tức là phụ thuộc vào dòng điện cho phép của chúng. Dòng điện
chạy qua dây dẫn và máy biến áp đƣợc xác định :

U
Q
P
U
S
I
33
2
2
(1.3)
5

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Từ biểu thức trên chúng ta nhận thấy: Với cùng một điều kiện phát nóng nhất
định của đƣờng dây và máy biến áp với P = const, nếu tăng lƣợng công suất phản
kháng Q buộc phải tăng tiết diện dây dẫn, do đó sẽ làm tăng chi phí của mạng điện.

Theo số liệu tính toán, khi hệ số công suất giảm 20% (từ 1 xuống 0,8) thì lƣợng tổn
thất công suất tăng lên khoảng 1,56 lần và khối lƣợng dây dẫn tăng lên 25%. Ví dụ
minh hoạ dƣới đây cho thấy ảnh hƣởng của hệ số cos đối với sự thay đổi của công
suất toàn phần.
cos = 1
cos = 0,8
cos = 0,7
P = 100 kW
P = 100 kW
P = 100 kW
Q = 0
Q = 75 kVAr
Q=100kVAr
S = 100 kVA
S = 125 kVA
S = 141 kVA
Kết quả tính toán ở ví dụ trên cho thấy khi hệ số cos giảm từ 1 xuống 0,7 thì
giá trị công suất toàn phần tăng lên 1,41 lần.
c) Làm hạn chế khả năng truyền tải công suất tác dụng
Cũng từ biểu thức (1.3) trên ta thấy, nếu vẫn giữ dòng I=const thì khi Q tăng
buộc phải giảm P để đảm bảo điều kiện đốt nóng cho phép của các phần tử hệ thống
điện. Còn nếu vẫn giữ nguyên giá trị P = const thì nếu công suất phản kháng quá
lớn sẽ có thể gây quá tải cho các thiết bị điện vì công suất toàn phần S phải tăng lên.
Điều đó sẽ làm giảm tuổi thọ thậm chí có thể phá huỷ thiết bị. Việc giảm công suất
tác dụng sẽ làm giảm hiệu suất truyền tải của mạng điện.
d) Giảm chất lượng điện
Tăng công suất phản kháng sẽ làm giảm chất lƣợng điện do tổn thất điện áp tăng
và do dao động điện áp khi công suất phản kháng thay đổi. Nhƣ đã biết, tổn thất
điện áp đƣợc xác định bởi biểu thức
xr

UU
U
QXPR
U
(1.4)
6

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Thành phần tổn thất phản kháng U
x
tỷ lệ thuận với công suất phản kháng. Việc
tăng công suất Q sẽ làm tăng đáng kể tổn thất điện áp, do đó làm giảm chất lƣợng
điện. Điều đó làm tăng thêm chi phí do phải trang bị các cơ cấu điều chỉnh điện áp
trong hệ thống. Khi chất lƣợng điện giảm quá mức cho phép sẽ dẫn đến sự thay đổi
chế độ làm việc của các phần tử hệ thống điện. Sự thay đổi này có thể làm giảm
năng suất của các thiết bị gây thiệt hại về kinh tế cho các ngành sản xuất.
2. Hiện trạng bù công suất phản kháng:
2.1.Tình hình bù công suất phản kháng ở Việt Nam.
2.1.1. Lưới điện phân phối và hệ số công suất cos .
Sơ đồ mạng điện ở các địa phƣơng có dạng nhƣ trên hình 1.1. Nguồn cấp là từ
thanh cái trạm 110 kV, 220 kV hay thanh cái phía cao áp của nhà máy điện bằng
đƣờng dây tải điện theo cơ cấu mạch vòng hay hình tia dẫn điện đến khu vực phụ
tải điện áp đƣợc hạ xuống 35 kV, 22 kV hay 10 kV, 6 kV. Nếu là 35 kV thì tồn tại
các đƣờng dây 35 kV đi sâu tới phụ tải hơn và tại đó hạ xuống 22kV, 10 kV hay 6
kV. Từ thanh cái 22 kV, 10 kV, 6 kV hình thành các đƣờng dây phân phối hình tia,
cũng có thể là mạch vòng nhƣng khi vận hành vẫn để ở chế độ hình tia. Từ các
đƣờng dây này theo điểm phụ tải đấu đến các máy biến áp hạ xuống điện áp hạ thế
400/220 V để cấp điện cho các phụ tải hạ thế. Sau trạm hạ áp hình thành các đƣờng
dây hạ thế có cấu trúc hình tia dẫn điện đến từng hộ tiêu thụ.
Hình 1.1. Sơ đồ lưới điện

110 kV,220 kV
35 kV
6 22kV
0,4 kV
7

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trong sơ đồ cấp điện nêu trên, hệ số công suất cos và bù công suất phản
kháng đƣợc đề cập đến ở từng cấp điện áp. Qua khảo sát thực tế tại một số Điện lực
tỉnh, các giá trị cos ở các cấp điện áp thể hiện khá rõ nét nhƣ sau:
- Tại các cấp điện áp 35 kV trở lên hệ số công suất cos có giá trị thƣờng từ
0,85 trở lên. Trƣờng hợp nguồn cấp là nhà máy điện, ví dụ nhƣ tại Điện lực Ninh
Bình thì cos có giá trị khoảng 0,85; còn trƣờng hợp nguồn cấp là thanh cái trạm
110kV, 220kV thì cos có giá trị cao hơn, thậm chí tới 0,92 0,95. Cũng chính vì
vậy mà cos có giá trị tại các đầu nhánh đƣờng dây cấp 22kV,10kV, 6kV cũng cao,
không dƣới 0,85. Do vậy các nhà quản lý Điện lực cấp tỉnh tự cảm nhận là hệ số
cos dƣờng nhƣ không có vấn đề gì.
- Tại cuối các nhánh đƣờng dây cấp 22kV,10kV, 6kV giá trị cos không còn
cao nữa. Các máy biến áp hạ áp 22kV,10kV, 6kV xuống 0,4 kV trong nhiều trƣờng
hợp vận hành non tải nên giá trị cos đầu ra đƣờng dây điện hạ thế bị tụt xuống. Và
xa hơn nữa tại đầu vào của các hộ phụ tải điện áp hạ thế 0,4 kV giá trị cos khá
thấp do chính các phụ tải điện (đồ điện) nhƣ quạt, điều hoà nhiệt độ, đèn Neon, tủ
lạnh, có giá trị cos thấp, tiêu thụ nhiều công suất phản kháng. Từ cuối các nhánh
đƣờng dây cấp 22kV,10kV, 6kV và toàn bộ phía hạ thế do điện lực của các chi
nhánh quản lý, họ chủ yếu quan tâm đến cung cấp điện liên tục và thu tiền điện, ít
quan tâm đến chất lƣợng điện áp.
Thực tế là do các giá trị cos từ cuối các nhánh đƣờng dây cấp 22kV,10kV,
6kV và toàn bộ phía hạ thế thấp dẫn đến phải tải công suất phản kháng để đáp ứng
cho nhu cầu phụ tải. Điều đó dẫn đến tổn thất công suất trên các đƣờng dây lớn, tổn
thất điện áp lớn, làm giảm điện áp tại hộ tiêu thụ, không đảm bảo chất lƣợng điện

năng.
Các vấn đề trình bày về chất lƣợng điện năng nêu trên nói chung ít đƣợc quán
triệt ở các Điện lực và các chi nhánh, nên vấn đề bù công suất phản kháng rất ít
đƣợc quan tâm. Chỉ một vài Điện lực nhƣ Hà Nội, Hải Dƣơng, Nam Định v.v… các
8

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
lãnh đạo quan tâm tới vấn đề này thì công việc bù công suất phản kháng có đƣợc
thực thi tốt hơn, tuy chƣa triệt để; còn đại bộ phận các Điện lực tỉnh việc quan tâm
đến vấn đề bù công suất phản kháng là rất ít, hoặc có chăng thực thi một cách
“cƣỡng chế” do theo yêu cầu hoặc theo nghị định của Tập đoàn Điện lực Việt Nam.
- Các xí nghiệp sử dụng điện công suất lớn, điện áp trung-cao thế có hệ số
công suất cos thấp dƣới 0,85 (do qui định của Tập đoàn Điện lực Việt Nam )
thƣờng tiến hành lắp đặt tụ bù để tránh không bị phạt cos . Các xí nghiệp công suất
điện nhỏ hay khu cơ quan hành chính, khu dân cƣ hầu nhƣ không hề đề cập đến bù
công suất phản kháng vì ý thức và quan trọng hơn cả là họ không phải đóng tiền
tiêu thụ công suất phản kháng mà chỉ đóng tiền điện qua công tơ điện ( tức là chỉ
đóng tiền điện tiêu thụ công suất tác dụng).
Các nhận xét chung nêu trên về cos và bù công suất phản kháng nêu trên đựơc
thể hiện cụ thể qua điều tra thực tế. Trong phạm vi đề tài, tôi đã tiến hành khảo sát
tình hình cos và bù công suất phản kháng tại Điện lực tỉnh Hải Dƣơng.
2.1.2. Thực trạng làm việc của các thiết bị bù.
Nhìn chung, đại đa số các thiết bị bù công suất phản kháng hiện tại không có
cơ cấu tự động điều chỉnh, vì vậy ở một số nơi vào giờ thấp điểm có hiện tƣợng
dòng công suất phản kháng chạy ngƣợc, làm tăng tổn thất và quá áp cục bộ. Vị trí
đặt thiết bị bù thƣờng đƣợc chọn sao cho dễ vận hành chứ không xét đến hiệu quả
kinh tế của thiết bị, vì vậy chƣa tận dụng đƣợc hiệu quả làm việc của thiết bị, dẫn
đến sự lãng phí. Tuổi thọ của thiết bị bù thƣờng thấp hơn nhiều so với giá trị quy
định của nhà sản xuất vì điều kiện làm việc của thiết bị chƣa phù hợp. Đa số các
trƣờng hợp hỏng tụ do bị nổ một pha. Nguyên nhân chủ yếu là do phần lớn tụ bù

không có bộ lọc sóng hài, mà thông thƣờng sự xuất hiện của sóng hài đồng thời với
sự mất đối xứng, do đó dẫn đến một trong các pha bị quá nhiệt cục bộ, làm nổ tụ.
Để bảo vệ tụ bù và nâng cao tuổi thọ của chúng cần phải có sự nghiên cứu,
phân tích, áp dụng các thiết bị bảo vệ phù hợp nhƣ bộ lọc sóng hài và các thiết bị
giảm ảnh hƣởng của sóng hài khác.
9

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trên cơ sở phân tích hiện trạng sử dụng điện và hệ số công suất của mạng điện ở
một số khu vực ta rút ra một số nhận xét sau:
1. Chế độ vận hành lƣới phân phối chủ yếu là vận hành hở.
2. Một thiết bù công suất phản kháng có thể đáp ứng cả ba chức năng là điều
chỉnh công suất, điều chỉnh điện áp và cân bằng pha.
3. Việc bù công suất phản kháng trong lƣới phân phối là bù rải trên các xuất tuyến
trung áp.
4. Trong thực tế vận hành, đồ thị thay đổi không bằng phẳng. Do vậy cần phải xác
định vị trí, dung lƣợng, thời gian đóng cắt của tụ.
2.2. Vấn đề bù công suất phản kháng ở một số nƣớc trên thế giới.
Vấn đề bù công suất phản kháng để là giải pháp giảm tổn thất điện năng rất
đƣợc coi trọng ở các nƣớc tiên tiến. Giải pháp này đƣợc quan tâm ngay từ khâu thiết
kế, lựa chọn thiết bị và dây chuyền công nghệ sản xuất. Mạng điện ở hầu hết các
nƣớc phƣơng Tây đều có trang bị tụ bù để nâng cao hệ số công suất. Việc đặt thiết
bị bù đƣợc thực hiện theo một số phƣơng án cơ bản sau:
10

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 2.1. Các phương án đặt thiết bị bù công suất phản kháng
1). Thiết bị bù lớn đặt trên thanh cái trạm biến áp hoặc tại các điểm nút của
mạng điện (hình a). Phƣơng án này cho phép giám sát và vận hành dễ dàng thiết bị

bù, tuy nhiên tổn thất trên đoạn từ thanh cái 1 đến các thiết bị dùng điện không giảm
vì ở đoạn này vẫn có dòng công suất phản kháng của phụ tải chạy qua. Thêm vào
đó, khi phụ tải phản kháng nhỏ thì có thể sẽ xẩy ra hiện tƣợng dƣ thừa công suất bù.
Vì vậy đối với phƣơng án này ngƣời ta thƣờng phải trang bị thêm hệ thống tự động
điều chỉnh dung lƣợng tụ bù.
2). Thiết bị bù tĩnh đặt trong tủ phân phối của nhóm thiết bị dùng điện (hình b).
Phƣơng án này cho phép giảm tổn thất trên đoạn dây từ thanh cái trạm biến áp đến
tủ phân phối của các nhóm thiết bị dùng điện, tuy nhiên hệ số công suất phụ thuộc
vào số lƣợng thiết bị dùng điện. Trong trƣờng hợp có ít động cơ trong nhóm thì vẫn


a)

1

2

M

M

M

M

3


b)

1

2

M

M

M

M



3


c)

1

2

M

M

M

M

3

11

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
có khả năng dƣ thừa công suất phản kháng. Vì vậy đối với phƣơng án này cũng cần
phải trang bị thêm hệ thống tự động điều chỉnh dung lƣợng tụ bù.
3). Thiết bị bù tĩnh đóng cắt ngay trên đầu vào của các thiết bị dùng điện (hình
c). Theo phƣơng án này một công tắc tơ sẽ điều khiển cả động cơ và tụ bù. Khi
động cơ không làm việc thì tụ bù cũng sẽ đƣợc cắt khỏi mạng, do đó sẽ không cần
đến các thiết bị điều khiển.
Thƣờng thì các cụm tụ bù không điều chỉnh đƣợc áp dụng nếu công suất tụ chỉ
chiếm 15% công suất của máy biến áp, còn nếu công suất tụ lớn hơn 15% công suất
máy biến áp thì cần phải đặt thiết bị bù có tự động điều chỉnh
Để bảo vệ cho thiết bị bù ngƣời ta thƣờng dùng bộ lọc sóng hài lắp nối tiếp với
bộ tụ và các máy cắt để bảo vệ chống ngắn mạch.
Hiện nay đã có rất nhiều thiết bị tự động điều chỉnh dung lƣợng bù đƣợc áp
dụng. Một trong những hệ thống hiện đại dùng để điều chỉnh hệ số công suất cos
có tên gọi là Hershey. Hệ thống này cho phép khắc phục đƣợc hiện tƣợng thừa công
suất phản kháng khi phụ tải cực tiểu, do đó ổn định đƣợc giá trị điện áp và giảm tổn
thất trong mạng điện, giá trị của hệ số cos đƣợc duy trì ở mức 0,95 1. Khác với
các thiết bị bù thông thƣờng, hệ thống Hershey có trang bị thêm bộ lọc sóng hài.
Ngoài ra hệ thống Hershey còn đƣợc lắp đặt thiết bị tự chẩn đoán đặc biệt để cảnh
báo khi khi có sự cố bất thƣờng xẩy ra trong các ngăn tụ bù.
Thiết bị tự động điều chỉnh hệ số công suất AFPC (Automatic Power Factor
Controller) có tên gọi là POWERWARE đƣợc áp dụng khá rộng rãi ở các nƣớc tiên
tiến. Đây là loại thiết bị tự động điều chỉnh hệ số công suất có gắn bộ vi xử lý, cho
phép duy trì giá trị hệ số công suất cao nhất ở mọi thời điểm trong ngày.
Công ty lƣới điện Quốc gia NGC (National Grid Company) Hoa Kỳ đã tiến

hành một số nghiên cứu bù và kinh doanh công suất phản kháng. Công suất phản
kháng đƣợc định giá theo từng khu vực. Giá thành điện năng phản kháng đƣợc tính
trung bình khoảng 2,4 $/MVArh. Tại Canada, các nghiên cứu về bù công suất phản
12

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
kháng đƣợc tiến hành bởi ESO (Electric System Operator) và EMO (Electric
Market Operator). Tất cả các máy phát trên 10 MW đều đƣợc nối với hệ thống điện
mà đƣợc kiểm soát bởi IESO (Indepedent Electric System Operator). Yêu cầu về hệ
số công suất ở hệ thống này là 0,9 đối với nguồn và 0,95 đối với phụ tải. Ở Anh
vào đầu những năm 1990 sau tiến trình tƣ hữu hoá hệ thống truyền tải và phân phối
điện năng, thị trƣờng công suất phản kháng đã bắt đầu hoạt động. Tất cả các máy
phát từ 50 MW trở lên đòi hỏi phải có hệ số công suất không dƣới 0,95 và hệ số
công suất phía phụ tải không dƣới 0,85. Ở Thuỵ Điển tất cả các nhà máy thuỷ điện
và nhiệt điện yêu cầu phải duy trì hệ số công suất không dƣới 0,9. Riêng ở Hà Lan
việc trả tiền điện phản kháng chƣa đƣợc thực hiện. Ở Bỉ việc trả tiền điện năng tác
dụng đƣợc thực hiện tuỳ vào cấp điện áp: Trong khi với mạng điện truyền tải là
0,21€/MWh, còn ở mạng điện phân phối là 0,23 €/MWh, thì giá điện phản kháng là
6 €/MVArh, nếu hệ số công suất thấp hơn 0,95. Ở Argentine giá tiền phạt công suất
phản kháng là 0,45 $US/MVArh. Ở Ấn Độ giá bán điện năng phản kháng khoảng 4
paise/kVArh (1$US/MVArh). Ở Australia hệ số cos đƣợc ấn định đối với các hộ
dùng điện phải không dƣới 0,9 và đối với nguồn – không dƣới 0,93. Ở Nhật giá
điện đƣợc phân ra 2 thành phần: thành phần cơ bản gắn với hệ số công suất theo
biểu thức sau:
C
cb
= g
P
.P.(1,85-cos ) (1.5)
C

A
= g
A
.A
Trong đó
C
cb
- tiền điện cơ bản;
C
A
- tiền điện trả theo mức tiêu thụ;
g
p
- đơn giá công suất tác dụng Yên/kW;
g
A
- đơn giá điện năng tác dụng Yên/kWh;
P – công suất đăng ký theo hợp đồng mua bán điện, kW ;
A - điện năng tiêu thụ, kWh.
13

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Nhƣ vậy có thể thấy đại đa số các nƣớc trên thế giới đều thu tiền sử dụng điện
năng phản kháng, tuy nhiên việc ấn định hệ số công suất làm cơ sở phạt tiền sử
dụng công suất phản kháng ở các nƣớc khác nhau rất khác nhau.
3. Kết luận:
1. Hiện nay vấn đề bù công suất phản kháng trong mạng điện phân phối ở các
địa phƣơng trong cả nƣớc chƣa đƣợc quan tâm một cách đúng mức.Việc lắp đặt
thiết bị bù thƣờng chỉ là giải pháp tình thế, không có sự tính toán hợp lý vì vậy hiệu
quả bù chƣa cao. Đặc biệt hầu hết các thiết bị bù không có cơ cấu tự động điều

chỉnh nên làm giảm hiệu quả bù, thậm chí có thể gây thiệt hại do quá bù.
2. Vấn đề phạt hệ số cos thấp ở các địa phƣơng diễn ra không thống nhất.
Công suất phản kháng và chất lƣợng điện chƣa đƣợc gắn với vấn đề kinh doanh
điện năng, vì vậy dẫn đến nhiều bất cập trong việc áp dụng các biện pháp tiết kiệm
điện và nâng cao hiệu quả sử dụng của các thiết bị điện. Đã đến lúc chúng ta cần
phải đƣa ra những tiêu chí về chất lƣợng điện và hệ số cos tham gia trong thị
trƣờng điện cạnh tranh.
3. Vấn đề bù công suất phản kháng ở mạng điện của các nƣớc phát triển trên
thế giới đƣợc đặc biệt quan tâm. Một số sơ đồ bù công suất phản kháng đƣợc áp
dụng là thiết bị bù tập trung, thiết bị bù phân tán và thiết bị bù đóng cắt cùng với
máy công tác. ở các nƣớc khác nhau có các phƣơng thức quản lý, kinh doanh công
suất phản kháng khác nhau mà chúng ta có thể nghiên cứu áp dụng trong điều kiện
cụ thể ở mạng điện Việt Nam.
14

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
CHƢƠNG II
CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN BÙ
TRONG LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

Dƣới đây chúng ta sẽ phân tích một cách chi tiết một số ảnh hƣởng của sự
truyền tải công suất phản kháng đối với các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của mạng điện.
2.1 Quan hệ giữa tổn thất điện năng, chi phí quy dẫn với hệ số công suất và
thời gian sử dụng công suất cực đại.
2.1.1. Quan hệ giữa tổn thất điện năng với hệ số cos và thời gian T
M
Nhƣ đã biết, tổn thất điện năng trong mạng điện có thể đƣợc đánh giá bởi biểu
thức

R

U
QP
A
2
22
R
U
P
2
cos
2
2
(2.1)
Trong đó: - thời gian tổn thất công suất cực đại hàng năm, có thể biểu thị
dƣới dạng hàm phụ thuộc vào thời gian sử dụng công suất cực đại T
M
= ( 0,124 + T
M
.10
- 4
)
2
8760 (2.2)
R
U
QP
A
2
22
R

U
P
2
cos
2
2
22
342
cos
10).10124,0.(.
U
tTRP
M
(2.3)
Nếu tính theo giá trị phần trăm của điện năng tiêu thụ
%100%
A
A
A
với A=P.T (2.4)
Biểu đồ phụ thuộc giữa tổn thất điện năng với hệ số công suất và thời gian sử
dụng công suất cực đại đƣợc thể hiện trên hình 2.1. Phân tích quan hệ phụ thuộc
giữa tổn thất điện năng với hệ số công suất và thời gian sử dụng công suất cực đại
15

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
(hình 2.1) chúng ta thấy khi hệ số công suất nhỏ hơn 0,7 thì tốc độ tăng tổn thất sẽ
khá nhanh.

0

0.2
0.4
0.6
0.8
1
0
2000
4000
6000
8000
0
1
2
3
4
cosfi
Ton that dien nang dA%=f(cosfi,Tm)
Tm, hr
dA,%

Hình 2.1. Biểu đồ phụ thuộc giữa tổn thất điện năng với hệ số cos và T
M
2.1.2. Quan hệ phụ thuộc giữa chi phí quy dẫn với hệ số công suất và T
M

Trƣớc hết ta xác định giá trị dòng điện chạy trên đƣờng dây

cos 3.3 U
P
U

S
I
(2.5)
Mật độ dòng điện kinh tế

c
pb
j
kt
3
10
3
; (2.6)
Trong đó:
p – hệ số sử dụng hiệu quả và khấu hao thiết bị;
b – hệ số kinh tế thay đổi của đƣờng dây, đ/km.mm
2
;
- điện trở suất của vật liệu làm dây dẫn;
c

- giá thành tổn thất điện năng.
16

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Giả thiết dây dẫn đƣợc chọn theo mật độ dòng điện kinh tế, lúc đó tiết diện dây
dẫn sẽ là

kt
j

I
F
(2.7)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0
2000
4000
6000
8000
0
5
10
15
20
25
cosfi
Ham chi phi Z=f(cosfi,Tm)
Tm, hr
Z, tr.VND/km

Hình 2.2. Biểu đồ phụ thuộc giữa chi phí quy dẫn với hệ số cos và T
M
Vốn đầu tƣ đƣờng dây đƣợc biểu thị bởi biểu thức
K= a+ bF (2.8)
với: a, b – các hệ số kinh tế cố định và thay đổi của đƣờng dây;

F - tiết diện mặt cắt ngang của dây dẫn.
Chi phí quy dẫn của đƣờng dây
Z= pK+ A.c

(2.9)
Biểu đồ phụ thuộc giữa chi phí quy dẫn của đƣờng dây với hệ số cos và T
M

đƣợc thể hiện trên hình 2.2.
17

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Phân tích các biểu đồ phụ thuộc K=f(cos , T
M
) và Z=f(cos , T
M
) ta nhận thấy
hệ số cos có ảnh hƣởng rất đáng kể đến vốn đầu tƣ và chi phí quy dẫn, việc nâng
cao hệ số công suất sẽ góp phần làm giảm chi phí của mạng điện.
2.2. Phƣơng pháp nâng cao hệ số cos
Tất cả các giải pháp nâng cao hệ số công suất có thể phân thành các nhóm sau:
2.2.1. Các giải pháp tổ chức-kỹ thuật
* Sắp xếp hợp lý các quy trình công nghệ: Việc Sắp xếp hợp lý các quy trình
công nghệ sản xuất nhằm cải thiện chế độ sử dụng năng lƣợng của các thiết bị, nhƣ
hạn chế đến mức tối đa công đoạn chạy không tải.
* Thiết lập chế độ làm việc bình thường cho các động cơ không đồng bộ
bằng cách thay các động cơ thƣờng xuyên làm việc non tải bằng các động cơ công
suất thấp hơn. Khi k
mt
< 0,45 thì việc thay thế bao giờ cũng có lợi, còn khi

0,45<k
mt
<0,7 thì việc thay thế phải so sánh kinh tế kỹ thuật mới xác định đƣợc hiệu
quả kinh tế khi thay. Mối quan hệ hệ giữa hệ số mang tải k
mt
với hiệu suất và hệ
số công suất cos là phi tuyến, nếu động cơ đƣợc chọn với gam công suất thích hợp
thì không những đạt hiệu suất làm việc cao mà còn có tác dụng nâng cao cos của
lƣới.
* Thiết lập chế độ điện áp tối ưu: Ta dễ dàng nhận thấy công suất tiêu thụ Q tỷ
lệ với bình phƣơng của U, nếu giảm điện áp U thì Q sẽ giảm đi rõ rệt. Vì vậy có thể
nâng cao hệ số cos bằng cách giảm điện áp ở những động cơ làm việc non tải,
thƣờng ta đổi tổ nối dây của động cơ từ tam giác ra đấu sao.
* Thiết lập chế độ làm việc kinh tế của trạm biến áp
Đối với các trạm biến áp có nhiều máy cần xây dựng biểu đồ làm việc hợp lý.
Khi máy biến áp làm việc với phụ tải 30% công suất định mức thì nên tạm thời
chuyển phụ tải sang các máy khác và cắt khỏi mạng trong khoảng thời gian nhất
định. Lựa chọn các đầu phân áp tối ƣu.
18

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
* Dùng động cơ đồng bộ thay thế động cơ không đồng bộ
Các động cơ đồng bộ tuy có giá thành đắt hơn so với động cơ không đồng bộ
nhƣng có hệ số cos cao, hơn nữa việc điều chỉnh dòng điện kích từ có thể cho
phép động cơ thay đổi chế độ làm việc dễ dàng vì đặc điểm của máy bù đồng bộ là
có thể tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng tuỳ thuộc vào chế độ kích từ.
* Dùng các thiết bị chỉnh lưu với hệ số công suất vượt trước
Đối với một số mạng điện cần có sự có mặt của dòng một chiều nên áp dụng
các thiết bị chỉnh lƣu có hệ số công suất vƣợt trƣớc, điều đó cho phép cải thiện hệ
số cos chung của toàn mạng điện.

Tất cả các giải pháp trên gọi là biên pháp nâng cao hệ số cos tự nhiên. Các
biện pháp này không đòi hỏi chi phí thiết bị và vật tƣ, hoặc chi phí không đáng kể,
nên thƣờng cho hiệu quả kinh tế cao, tuy nhiên phạm vi điều chỉnh hệ số cos chỉ
có hạn, do đó không phải bao giờ cũng có thể áp dụng đƣợc.
2.2.2. Các giải pháp kỹ thuật
Các giải pháp kỹ thuật thƣờng đƣợc áp dụng để nâng cao hệ số cos là áp dụng
các cơ cấu bù (còn gọi là điều hoà) công suất phản kháng. Do phụ tải trong thực tế
chủ yếu mang tính điện cảm nên vec tơ dòng điện chậm hơn so với vec tơ điện áp,
nếu bù đƣợc toàn bộ lƣợng công suất phản kháng thì chỉ còn lại thành phần tác dụng
nên vec tơ dòng và áp sẽ trùng nhau. Có thể dùng tụ bù hoặc máy bù đồng bộ. Biện
pháp này đƣợc gọi chung là bù cos .
Công suất của thiết bị bù cần thiết để nâng hệ số công suất từ cos
1
lên cos
2

đƣợc xác định theo biểu thức
Q
b
= P(tg
1
- tg
2
) = P.k
q
, kVAr ; (2.10)
Với P là công suất tác dụng của phụ tải, kW.
Để tiện tính toán ngƣời ta thiết lập bảng tính sẳn hệ số k
q
sau

19

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Bảng 2.1. Giá trị của hệ số k
q
phụ thuộc vào hệ số cos
1
hiện tại và hệ số cos
2

mong mưốn

Ví dụ với hệ số cos
1
=0,7, cần nâng lên giá trị cos
2
=0,9 thì ta tra bảng để xác
định hệ số k
q
=0,54. Nhƣ vậy công suất phản kháng cần thiết sẽ là Q=0,54P.
Biểu đồ véc tơ công suất trƣớc và sau khi đặt thiết bị bù cos biểu thị trên hình
2.3. và biểu đồ vectơ dòng điện khi có bù công suất phản kháng đƣợc thể hiện trên
hình 2.4. Phân tích biểu đồ vec tơ công suất ta thấy công suất biểu kiến sau khi bù
S
2
có giá trị nhỏ hơn công suất trƣớc khi bù S
1
, điều đó cho phép giảm dòng điện
chạy trong mạch và từ đó có thể giảm đƣợc chi phí đầu tƣ cho đƣờng dây, giảm tổn
thất điện năng, cuối cùng là giảm giá thành điện năng.

Tuy nhiên việc đặt các cơ cấu bù công suất phản kháng đòi hỏi những chi phí
nhất định, vì vậy cần phải tính toán lựa chọn dung lƣợng bù cũng nhƣ vị trí đặt
hợp lý. Theo tính toán thì khi hệ số cos > 0,95 hiệu quả kinh tế của việc đặt bù
hầu nhƣ không đáng kể. Để tìm lời giải cho câu hỏi nếu xẩy ra hiện tƣợng quá bù
chúng ta phân tích biểu thức xác định tổn thất tổn thất công suất và điện áp khi đặt bù

R
U
QQP
P
b
2
22
)(
(2.11)
20

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
xr
b
UU
U
XQQ
U
PR
U

)(
; (2.12)
Hình 2.3. Véc tơ công suất trước và sau khi bù cos

Nếu chọn dung lƣợng bù Q
b
bằng giá trị phụ tải phản kháng Q thì có thể loại
trừ đƣợc hoàn toàn thành phần tổn thất do công suất phản kháng gây nên và nhƣ vây
sẽ cải thiện đƣợc các tham số chế độ của mạng điện. Việc bù công suất phản kháng
đồng thời nâng cao hệ số công suất của mạng điện và tạo nên sự dự trữ công suất
phản kháng cho quá trình điều chỉnh điện áp.
Từ biểu thức (2.11) ta dễ dàng thấy rằng tổn thất công suất sẽ có giá trị nhỏ
nhất khi công suất phản kháng của phụ tải bằng công suất của các cụm bù, tức Q=
Q
b
và nó sẽ tăng trong cả hai trƣờng hợp Q > Q
b
và

Q < Q
b
. Nhƣ vậy nếu nhƣ hiện
tƣợng quá bù xẩy ra thì vẫn có dòng công suất phản kháng chạy trên đƣờng dây

1


2

S
1
S
2

Q

Q
b
Q-Q
b
Hình 2.4. Véc tơ dòng điện khi bù cos
I
R
- thành phần tác dụng; I
X
- thành phần
phản kháng; I
L
- thành phần điện cảm; I
C
–
thành phần điện dung;

I
lv
– dòng làm
việc; I
dd
- dòng điện chạy trên đường dây

1


2

I
C
I
L
I
lv
I
dd
I
R
I
X
21

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
(theo chiều ngƣợc lại) và vẫn có sự tổn thất điện năng. Có nghĩa là “tiền mất tật
mang” chúng ta đã phí tiền cho việc đặt bù.
Thế còn đối với đại lƣợng tổn thất điện áp thì sao? Xét biểu thức (2.12) ta thấy
nếu Q < Q
b
thì thành phần U
x
sẽ mang dấu (-), có nghĩa là sự có mặt của các thiết
bị bù sẽ sinh ra một suất điện động (sđđ) mà có thể gây quá áp khi phụ tải cực tiểu.
Nhƣ vậy, nếu dung lƣợng bù lớn hơn công suất phản kháng của phụ tải thì, nhƣ con
dao hai lƣỡi, các cụm bù này sẽ gây tổn thất cho mạng điện cả về kinh tế và kỹ
thuật.
Từ những phân tích trên chúng ta thấy các tính năng ƣu việt của bù vô công chỉ
có thể có đƣợc khi chúng đƣợc sử dụng hợp lý. Nếu chọn dung lƣợng và vị trí bù

không hợp lý thì không những không cải thiện đƣợc các tham số mạng điện mà
ngƣợc lại có thể làm tăng tổn thất và giảm chất lƣợng điện, gây thiệt hại không chỉ
về kinh tế mà còn làm giảm các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng điện.
2.3. Đặc tính kinh tế - kỹ thuật của các nguồn công suất phản kháng
2.3.1. Động cơ đồng bộ
Động cơ đồng bộ (ĐCĐB) đƣợc sử dụng nhiều trong các xí nghiệp công nghiệp
nhƣ xí nghiệp luyện kim, hoá chất, luyện khoáng vv. để truyền động cho các máy
công tác có chế độ làm việc lâu dài và ổn định nhƣ máy bơm, quạt, máy nén, băng
tải vv. Các loại động cơ đồng bộ đƣợc chế tạo với hệ số công suất vƣợt trƣớc, do đó
có thể áp dụng làm nguồn công suất phản kháng. Khả năng kỹ thuật của động cơ
đồng bộ là giá trị công suất phản kháng cực đại có thể phát mà không quá nhiệt cho
các cuộn dây stator và rôtor. Các tham số đặc trƣng cho chế độ làm việc của động
cơ đồng bộ là
- Hệ số mang tải tác dụng k
P
= P/P
n
- Hệ số mang tải phản kháng k
Q
= Q/Q
n
- Điện áp tƣơng đối U* =U/U
n

Trong đó :
22

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
P, Q – phụ tải tác dụng và phản kháng;
U – điện áp lƣới

P
n
, Q
n
, U
n
– các giá trị phụ tải và điện áp định mức.
Khi điện áp nằm trong giới hạn 0,95 1,05 thì động cơ đồng bộ có thể làm việc
lâu dài với công suất phản kháng định mức. Khả năng phát công suất của động cơ
đồng bộ đƣợc xác định theo biểu thức
Q
M
= k
QM
Q
n

k
QM
– giá trị cực đại của hệ số mang tải phản kháng, nó phụ thuộc vào hệ số k
P

và giá trị điện áp, k
QM
= f(k
P
, U*).
Trong quá trình làm việc động cơ bị đốt nóng do tổn thất công suất tác dụng
gây nên. Lƣợng tổn thất này phụ thuộc vào chế độ làm việc của động cơ
P = f(k

P
, k
Q
, U*)
Bằng phƣơng pháp gần đúng có thể xác định tổn thất công suất tác dụng trong
động cơ đồng bộ theo biểu thức
P = D
1
k
Q
+ D
2
k
Q
2
(2.13)
hay
2
2
21
Q
Q
D
Q
Q
D
P
n
n
(2.14)

Trong đó: D
1
, D
2
– các hệ số phụ thuộc vào loại và đặc tính của động cơ đồng
bộ.
Đối với nhóm gồm N động cơ

])([
2
2
21
N
Q
Q
D
Q
NQ
D
NP
n
n
2
2
21
Q
NQ
D
Q
Q

D
n
n
(2.15)
Trong đó:
Q
n
– công suất định mức của mỗi động cơ
23

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Q – tổng công suất phản kháng do tất cả các động cơ phát ra
* Ưu điểm của động cơ đồng bộ
- Có thể sử dụng làm nguồn công suất phản kháng với chi phí phụ không lớn, bởi
vì khi làm việc với hệ số công suất vƣợt trƣớc công suất toàn phần của động cơ
đồng bộ, mà xác định giá thành của nó tăng lên rât không đáng kể so với khả năng
bù của nó (xem bảng sau).
cos
n

1
0,9
0,85
0,8
S
n
, %
0
11
17

25
(Q/P
n
).100, %
0
48
62
75
- Sự phụ thuộc giữa mômen quay vào dao động điện áp thấp (mômen quay của
động cơ đồng bộ tỷ lệ với điện áp theo hàm bậc nhất, trong khi đó ở động cơ không
đồng bộ – tỷ lệ theo bậc 2);
- Tốc độ quay của động cơ đồng bộ không phụ thuộc vào phụ tải do đó 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
- Giá thành tƣơng đối cao, có nghĩa là suất vốn đầu tƣ bù công suất phản kháng
lớn (khoảng 12,5$/kVAr);
- Suất chi phí tổn thất công suất tác dụng lớn hơn nhiều so với tụ bù (khoảng
0,027 kW/kVAr, trong khi đó ở tụ khoảng 0,003-0,004 kW/kVAr);
- Chiếm diện tích rộng và khi làm việc gây tiếng ồn.
Chính vì những lý do đó mà động cơ đồng bộ thƣờng chỉ tận dụng ở các xí
nghiệp công nghiệp, chứ ít khi sử dụng ở các trạm biến áp.
2.3.2. Tụ điện
24

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Tụ điện là thiết bị tĩnh, đƣợc sử dụng rộng rãi để bù công suất phản kháng
trong mạng điện, nó có thể đƣợc mắc ngay trên đầu của các hộ dùng điện, trên
thanh cái của các trạm biến áp hoặc tại các điểm nút của mạng điện (hình 1.5). Tụ

bù tĩnh có thể mắc độc lập hoặc mắc thành từng nhóm theo sơ đồ đấu tam giác
hoặc đấu sao Y.


Hình 2.5. Sơ đồ mắc tụ bù tĩnh
Công suất phát của tụ đƣợc xác định theo biểu thức

2
2
2
.CU
X
U
XIQ
C
CC
(2.16)
Tức là công suất của tụ tỷ lệ với bình phƣơng điện áp. Các cụm tụ bù hạ áp
thƣờng có hiệu quả bù cao hơn so với tụ bù cao áp. Công suất phát của tụ tỷ lệ với
giá trị điện áp

2
)(
c
n
U
U
QQ
(2.17)
Trong đó:

U – điện áp thực tế tại nơi đặt tụ
U
C
– điện áp định mức của tụ bù.
Nếu chia cả tử và mẫu của phân số trong ngoặc cho điện áp định mức của lƣới
U
n
ta sẽ đƣợc

2
*
)
*
(
c
n
U
U
QQ
(2.18)
S=P+jQ
Q
C

~