các biện pháp nâng cao chất lượng điện năng trong lưới điện phân phối huyện phú bình
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.56 MB, 84 trang )
- 3 -
- 4 -
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
o0o
TRẦN HỮU TIÊN
CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG
ĐIỆN NĂNG TRONG LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
HUYỆN PHÚ BÌNH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
THÁI NGUYÊN 2014
- 5 -
- 6 -
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
o0o
TRẦN HỮU TIÊN
CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG
ĐIỆN NĂNG TRONG LƢỚI PHÂN PHỐI HUYỆN
PHÚ BÌNH
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. ĐẶNG QUỐC THỐNG
THÁI NGUYÊN - 2014
- 7 -
MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU:……………………………………………………………………… 1
CHƢƠNG 1: CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP
ĐIỆN…………………………………………………………………………… 3
1.1. Khái niệm về chất lƣợng điện năng………………………………………3
1.2. Các tiêu chuẩn về chất lƣợng điện năng………………………………….4
1.2.1. Chất lƣợng tần số……………………………………………………….4
1.2.2. Chất lƣợng điện áp.…………………………………………………….5
CHƢƠNG 2: CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ
THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN………………………………………9
2.1. Nâng cao hệ số công suất cosφ………………………………………… 9
2.2. Chế độ vận hành kinh tế của các máy biến áp nhằm giảm tổn thất điện
năng…………………………………………………………………………… 9
2.3. Khái niệm về bù công suất phản kháng……………………………… 12
2.3.1. Bù công suất phản kháng…………………………………………… 12
2.3.2. Sử dụng thiết bị bù công suất phản kháng…………………………….13
2.3.3. Sử dụng thiết bị bù công suất phản kháng trong lƣới điện phân phối 15
2.4. Tái cấu trúc lƣới điện để giảm tổn thất điện năng………………………18
2.4.1. Giới thiệu chung về tái cấu trúc lƣới điện…………………………….18
2.4.2. Phƣơng pháp thực nghiệm…………………………………………….20
2.4.2.1. Giải thuật di truyền ( Genetic Algorithms - GA )………………… 20
2.4.2.2. giải thuật mạng Nơron ( Meural Networks ) ……………………….20
- 8 -
2.4.2.3. Giải thuật con kiến………………………………………………… 21
2.4.2.4. Giải thuật dựa trên hệ thống chuyên gia…………………………….22
2.5. Kết luận…………………………………………………………………23
CHƢƠNG 3: TÁI CẤU TRÚC LƢỚI ĐIỆN VÀ BÀI TOÁN GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN
NĂNG………………………………………………………… 25
3.1. Lƣới điện phân phối trung thế………………………………………… 25
3.1.1. Giới thiệu chung về lƣới phân phối trung thế……………………… 25
3.1.2. Các phần tử phân đoạn trong lƣới điện phân phối…………………….25
3.1.2.1. Dao cách ly………………………………………………………….25
3.1.2.2. Dao cách ly có điều kiện………………………………………… 26
3.1.2.3. Cầu dao phụ tải…………………………………………………… 26
3.1.2.4. Máy cắt…………………………………………………………… 27
3.1.2.5. Máy cắt tự đóng lại ( Recloser )…………………………………….27
3.1.2.6. Hệ thống tự động phân phối (Distriibuted Automation System - DAS)
……………………………………………………………………………… 28
3.1.3. Một số cấu trúc lƣới phân phối……………………………………… 29
3.1.3.1. Lƣới phân phối trung thế hình tia, không phân đoạn……………….29
3.1.3.2. Lƣới phân phối trung thế một nguồn, có phân đoạn……………… 30
3.1.3.3. Lƣới phân phối trung thế hai nguồn, có phân đoạn…………………31
3.2. Tổn thất điện năng trong lƣới phân phối……………………………… 31
3.3. Mô hình toán học bài toán tái cấu trúc lƣới điện phân phối…………….32
CHƢƠNG4:ỨNG DỤNG TÁI C PHÚ BÌNH
ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG…………………35
4.1. Giới thiệu chung về lƣới điện ph 35
4.2. PSS/ADEPT và khả năng ứng dụng tái cấu trúc lƣới điện phân phối… 35
4.2.1. Giới thiệu chƣơng trình PSS/ADEPT…………………………………35
4.2.1.1. Chức năng của PSS/ADEPT……………………………………… 37
4.3. Tái cấu trúc lƣới điện phân phối……………………………………… 43
4.3.1. Hàm mục tiêu…………………………………………………………44
4.3.2. Giải thuật tìm điểm mở tối ƣu trong lƣới điện mạch vòng……………44
4.3.2.1. Điểm phân công suất trong lƣới điện vòng…………………………44
- 9 -
4.3.2.2. Cách xác định điểm phân công suất……………………………… 45
4.3.2.3. Phƣơng pháp giải bài toán tái cấu trúc lƣới điện phân phối……… 47
4.3.2.4. áp dụng giải bài toán mẫu………………………………………… 49
4.3.3. Áp dụng giải bài toán tái cấu trúc lƣới điện phân phối huyện Phú
Bình…………………………………………………………………………….60
4.4. Kết luận…………………………………………………………………74
KẾT LUẬN CHUNG VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO….…………………… 75
PHỤ LỤC
- 10 -
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Trong những năm qua, Điện lực Phú Bình luôn đảm bảo điện ổn định, an toàn với
chất lƣợng cao cho các hoạt động chính trị, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng, ngoại
giao, các hoạt động văn hóa thể thao, lễ hội của Đảng và Nhà nƣớc diễn ra trên toàn
Huyện. Cùng với việc đảm bảo vận hành tốt lƣới điện, Điện lực Phú Bình đã đảm bảo cung
cấp đủ điện cho mọi đối tƣợng khách hàng trên địa bàn Huyện Phú Bình, đáp ứng tối đa
nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội và sinh hoạt của nhân dân trong Huyện.
Huyện Phú Bình sau khi mở rộng một số dự án một số khu công nghiệp nhƣ Điềm
thụy, Kha sơn trên địa bàn rộng lớn, lƣới điện cũ lát, lạc hậu. Việc giảm tổn thất điện năng
trong lƣới điện phân phối không chỉ góp phần đáng kể vào giảm giá thành điện năng mà
còn chƣa theo kịp sự phát triển của phụ tải điện thì việc nâng cao chất lƣợng điện năng lƣới
điện phân phối không chỉ mang lại hiệu quả kinh tế mà còn góp phần đảm bảo khả năng
cung cấp điện ổn định cho các phụ tải điện.
2. Lịch sử nghiên cứu:
Trên cơ sở nghiên cứu những biện pháp nâng cao chất lƣợng điện năng cho hệ
thống cung cấp điện và ứng dụng trong giải bài toán tái cấu trúc lƣới điện giảm tổn thất
điện năng từ những báo cáo, tài liệu đã công bố.
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu:
Đề tài " Các biện pháp nâng cao chất lƣợng điện năng trong lƣới phân phối huyện
Phú Bình" trình bày các phƣơng pháp nâng cao chất lƣợng điện năng, ứng dụng tái cấu trúc
lƣới điện phân phối huyện Phú Bình.
Úng dụng chạy chƣơng trình mô phỏng tính toán hệ thống điện PSS/ADEPT
(Power System Simulator/Advanced Distribution Engineering Productivity Tool) phiên
bản 5.0 ứng dụng cho bài toán mẫu Civanlar 3 nguồn và lƣới điện phân phối huyện Phú
Bình.
4. Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới:
Với mục đích nhƣ trên, nội dung cơ bản của luận văn bao gồm:
- 11 -
- Các biện pháp nâng cao chất lƣợng điện năng trong lƣới phân phối huyện Phú
Bình.
- Tái cấu trúc lƣới điện giảm tổn thất điện năng.
- Ứng dụng tái cấu trúc lƣới điện phân phối huyện Phú Bình nâng cao chất lƣợng
điện năng.
Luận văn đƣa ra tính hiệu quả và sự cần thiết của việc tái cấu trúc lƣới điện phân
phối huyện Phú Bình thông qua nghiên cứu với phần mềm PSS/ADEPT 5.0.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu:
Luận văn đƣợc thực hiện dựa trên những nghiên cứu tìm hiểu về bài toán tái cấu
trúc lƣới điện phân phối giảm tổn thất điện năng từ những báo cáo và tài liệu tham khảo đã
công bố.
Sử dụng phần mềm PSS/ADEPT 5.0 ứng dụng mô phỏng tính toán hệ thống cung
cấp điện huyện Phú Bình.
Sau một thời gian nghiên cứu, đến nay luận văn đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ
lòng biết ơn sâu sắc của mình đối với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo PGS.TS. Đặng
Quốc Thống. Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Bộ môn Hệ thống điện -
Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội và các thầy cô giáo trƣờng Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình tham gia khóa
học. Xin chân thành cảm ơn Khoa sau đại học, bạn bè đồng nghiệp và ngƣời thân đã tạo
điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.
Do hạn chế về thời gian, trình độ nên luận văn không thể tránh khỏi sai sót. Tác giả
rất mong nhận đƣợc những chỉ dẫn, góp ý của các thầy giáo, cô giáo cũng nhƣ các đồng
nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn và chân thành cảm ơn!
- 12 -
CHƢƠNG 1: CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG CỦA HỆ THỐNG
CUNG CẤP ĐIỆN
1.1 Khái niệm về chất lƣợng điện năng.
Định nghĩa về chất lƣợng điện năng đƣợc sử dụng rộng rãi trong hệ thống
điện. sự gia tăng ứng dụng của các thiết bị điện tử đã làm tăng sự quan tâm đến chất
lƣợng điện năng trong những năm gần đây. Đảm bảo chất lƣợng điện năng là phải
đảm bảo chất lƣợng của điện áp và tần số. Chỉ cần một trong các yếu tố trên không
đảm bảo, chất lƣợng điện năng sẽ không đảm bảo.
Hệ thống điện Việt Nam gồm có các nhà máy điện, các lƣới điện, các hộ tiêu
thụ đƣợc liên kết với nhau thành một hệ thống để thực hiện 4 quá trình sản xuất,
truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng trong lãnh thổ Việt Nam. Hệ thống điện
Việt Nam có nhiều cấp điện áp định mức khác nhau: 500kV, 220kV, 110kV, 63kV,
35kV, 22kV, 15kV, 10kV, 6kV, 0,4kV với tần số định mức là 50Hz. Trong khi tần
số là đại lƣợng mang tính hệ thống, điện áp lại không đồng nhất tại các điểm khác
nhau trong hệ thống. Trong cùng một cấp điện áp, điện áp ở xa nguồn thƣờng có giá
trị nhỏ hơn ở những điểm gần nguồn do tồn tại tổn thất điện áp trong mạng điện.
Các thiết bị dùng điện đều đƣợc thiết kế để làm việc với giá trị tần số định mức của
hệ thống điện và giá trị điện áp ở lân cận giá trị định mức của một cấp điện áp phân
phối nào đó.
Chất lƣợng điện năng đƣợc xem là đảm bảo nếu tần số và điện áp biến đổi
trong phạm vi cho phép quanh giá trị định mức. Phạm vi này đƣợc quy định trên cơ
sở đảm bảo điều kiện làm việc bình thƣờng của thiết bị dùng điện và các tiêu chuẩn
về độ lệch điện áp và tần số. Khi các giá trị thực tế của điện áp và tần số vƣợt ra
ngoài độ lệch cho phép phải tiến hành các biện pháp điều chỉnh.
- 13 -
Độ lệch điện áp hoặc tần số đƣợc định nghĩa là hiệu số giữa giá trị đo đƣợc
và giá trị quy định, chẳng hạn:
0
0
u
uu
U
( 1.1)
Trong đó:
U : giá trị điện áp đo đƣợc
0
U
: giá trị điện áp định mức
Các chỉ tiêu chất lƣợng điện năng liên quan chặt chẽ với sự cân bằng công
suất tác dụng P và công suất phản kháng Q trong hệ thống điện.
Có thể tăng thêm nguồn công suất phản kháng Q bằng các thiết bị bù hoặc
phân bố lại công suất phản kháng Q trong hệ thống điện.
Việc điều chỉnh điện áp trong mạng điện rất phức tạp. Mỗi mức cân bằng P
và Q trong hệ thống điện xác định một giá trị của tần số và điện áp. Khi sự cân bằng
bị phá vỡ tần số và điện áp sẽ biến đổi cho đến khi xác lập sự cân bằng mới, ứng với
các giá trị xác lập mới của tần số và điện áp.
Điều kiện cần thiết để có điều kiện điều chỉnh đƣợc tần số và điện áp là trong
hệ thống điện phải có đủ công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q để đáp
ứng nhu cầu luôn biến đổi của phụ tải và bù vào tổn thất trong quá trình sản xuất
truyền tải điện năng.
Điều chỉnh tần số có thể thực hiện nhờ thay đổi công suất của các nhà máy
điện nào, ngƣợc lại điều chỉnh điện áp không thể tiến hành tập trung mà phải thực
hiện ở chỗ thiếu công suất phản kháng Q.
Điều chỉnh điện áp có thể thay đổi cân bằng công suất tác dụng P và cân
bằng công suất phản kháng Q nhƣng chủ yếu đƣợc thực hiện bằng cách thay đổi cân
bằng công suất phản kháng Q.
1.2 Các tiêu chuẩn về chất lƣợng điện năng.
1.2.1 Chất lƣợng tần số.
- 14 -
Chất lƣợng tần số đƣợc đánh giá bằng độ lệch tần số so với tần số định mức
của hệ thống điện Độ lệch tần số đƣợc tính nhƣ sau:
%100.
đm
đmt
tb
f
ff
f
(1.2)
Trong đó:
t
f
:Tần số thực tế
đm
f
:Tần số định mức
Độ lệch tần số là một trong những chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lƣợng
điện năng.
Chất lƣợng tần số còn đƣợc đánh giá dựa trên độ dao động tần số, đƣợc đặc
trƣng bởi độ lệch giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tần số khi tốc độ tần số
biến thiên nhanh hơn 1%/s.
1.2.2 Chất lƣợng điện áp
Độ lệch điện áp trên cực các thiết bị dùng điện so với điện áp định mức của
mạng điện đƣợc định nghĩa là:
Utb
%100.
đm
đmt
U
UU
(1.3)
Trong đó:
U
t
: Điện áp thực tế
U
đm
: Điện áp định mức
Độ lệch điện áp đƣợc quy định nhƣ sau:
Đối với động cơ điện ở các xí nghiệp công nghiệp
-5%
U
+10%
Đối với các thiết bị chiếu sáng trong xí nghiệp công nghiệp, trong các công
sở và chiếu sáng công công cộng
-2,5%
U
+5%
Đối với các thiết bị điện khác ở thành phố xí nghiệp
-5%
U
+5%
- 15 -
Đối với các thiết bị điện đấu vào mạng điện nông nghiệp
-10%
U
+7,5%
Trong trạng thái sự cố, cho phép tăng giới hạn trên thêm 2,5% và giảm giới
hạn dƣới thêm 5%
Ví dụ:
-5% - 5% = -10%
bc
U
5% +2,5% = 7,5%
Điều chỉnh điện áp theo độ lệch
Các chỉ tiêu chính của chất lƣợng điện năng là độ lệch tần số, độ lệch điện
áp, dao động điện áp, sự không đối xứng và không hình sin của đƣờng cong điện áp.
- Độ lệch tần số là chỉ tiêu hệ thống của chất lƣợng điện năng.
- Độ lệch điện áp là hiệu số giữa giá trị thực của điện áp danh định của mạng
U
dđ
.
- Độ dịch chuyển trung điểm của các nút điện áp.
Tần số là một thông số có tính hệ thống. Ngƣợc lại việc quản lý chất lƣợng
điện áp về nguyên tắc phải đƣợc thực hiện phân tán và theo nhiều cấp khác nhau
trong mạng điện nhằm đạt các chỉ tiêu về độ lệch tuyệt đối so với giá trị điện áp yêu
cầu, về khoảng thời gian xảy ra độ lệch, về hậu qủa của độ lệch. Nghĩa là cần đánh
giá sự kiện sai lệch về chất lƣợng điện áp không gian 3 chiều: chiều rộng của cƣờng
độ, chiều dài của thời gian (còn gọi là đánh giá tích phân) và chiều sâu của hệ quả
(thiệt hại kinh tế). tuy nhiên những chỉ tiêu trên đây đƣợc thực hiện trong những
giằng buộc cụ thể về cấu trúc hệ thống, khả năng thiết bị, vốn đầu tƣ….
Điều chỉnh điện áp theo độ lệch là nhằm đảm bảo sao cho độ lệch điện áp so
với điện áp định mức ở tất cả các thiết bị dùng điện nằm trong phạm vi cho phép.
Chất lƣợng điện áp phải đƣợc đảm bảo ở mạng điện hạ áp sau TĐL, và phải
đƣợc đảm bảo trên các cực thiết bị dùng điện sử dụng điện áp cao hơn nếu có.
Để điều chỉnh điện áp ta có thể sử dụng các phương pháp sau:
1. Điều chỉnh điện áp máy phát điện bằng cách điều chỉnh dòng điện kích
thích.
- 16 -
2. Điều chỉnh điện áp ra của máy biến áp tăng áp và hạ áp bằng các đầu phân
áp.
3. Điều chỉnh điện áp trên đƣờng dây tải điện bằng máy biến áp điều chỉnh
hoặc biến áp bổ trợ.
4. Đặt thiết bị bù ngang.
5. Đặt thiết bị bù dọc trên đƣờng dây để thay đổi điện kháng đƣờng dây
nhằm thay đổi tổn thất điện áp.
6. Thay đổi cấu trúc lƣới, thay đổi phƣơng thức vận hành….
Về địa điểm thực hiện điều chỉnh điện áp có thể ở nhà máy điện, trên mạng
điện khu vực và ở mạng điện địa phƣơng hoặc đặt tại thiết bị dùng điện.
Theo bản chất vật lý, chỉ có hai phƣơng pháp điều chỉnh điện áp, hoặc tăng
thêm nguồn công suất phản kháng (các phƣơng pháp 1 và 4) hoặc phân phối lại
công suất phản kháng trong mạch điện (các phƣơng pháp còn lại) phƣơng pháp này
chỉ có hiệu quả khi hệ thống điện có đủ công suất phản kháng . Khi hệ thống điện
thiếu công suất phản kháng thì phƣơng pháp duy nhất để điều chỉnh điện áp là tăng
thêm các nguồn công suất phản kháng.
Do sự phức tạp về cấu trúc của hệ thống điện và chế độ làm việc của phụ tải
và sự phân cấp trong thiết kế, thi công và quản lý vận hành, việc điều chỉnh điện áp
một cách thống nhất trong toàn hệ thống điện là không thể thực hiện đƣợc. Nhiệm
vụ điều chỉnh điện áp đƣợc phân chia cho từng khu vực của hệ thống điện: ở nhà
máy điện, mạng điện khu vực và mạng điện địa phƣơng. Ở mỗi khu vực việc điều
chỉnh điện áp nhằm đảm bảo các yêu cầu về điện áp ở đầu ra đƣợc tiêu chuẩn hóa.
Ở nhà máy điện điều chỉnh điện áp nhằm đảm bảo điện áp vào của mạng điện khu
vực, khi điều chỉnh phải chú ý đến chất lƣợng điện áp của phụ tải tự dùng. Ở mạng
điện khu vực phải đảm bảo điện áp ra của các trạm khu vực đã đƣợc quy định.
Mạng điện địa phƣơng trực tiếp cung cấp điện năng cho phụ tải, nên việc điều chỉnh
điện áp ở đây rất quan trọng và là nhiệm vụ chính để đảm bảo chất lƣợng điện áp
nói chung. Việc tối ƣu hóa chế độ điện áp chủ yếu tiến hành ở khu vực này.
- 17 -
Điều chỉnh tập trung và điều điều chỉnh cục bộ là 2 phƣơng pháp đƣợc sử
dụng chủ yếu; Điều chỉnh tập trung nhằm thay đổi điện áp của toàn khu vực, còn
điều chỉnh cục bộ chỉ thay đổi định mức điện áp của một bộ phận nào đó của mạng
điện. Trong thực tế để đảm bảo chất lƣợng điện áp thƣờng kết hợp cả hai phƣơng
thức trên.
Khi tính toán điều chỉnh điện áp chỉ cần xét hai chế độ đặc trƣng của phụ tải,
đó là chế độ công suất cực đại (max) và chế độ công suất cực tiểu (min). Nếu đảm
bảo chất lƣợng điện áp ở hai chế độ trên thì sẽ đảm bảo chất lƣợng điện áp các chế
độ còn lại.
Khi tính toán điều chỉnh điện áp cũng không cần xét đến mọi điểm trong
mạng điện hạ áp mà chỉ cần xét đến một số điểm, việc đảm bảo chất lƣợng điện áp
ở các điểm đó sẽ dẫn tới đảm bảo ở các điểm còn lại, ta gọi đó là các điểm kiểm tra.
Vấn đề đảm bảo chất lƣợng điện áp phải đƣợc quán triệt từ quá trình thiết kế
đến vận hành mạng điện. Khi thiết kế phải căn cứ vào các đặc điểm vận hành trong
tƣơng lai, lựa chọn đúng các phần tử của mạng điện theo điều kiện điện áp lựa chọn
đúng và đặt đúng chỗ các thiết bị điều chỉnh điện áp. Trong vận hành thƣờng xuyên
theo dõi điện áp ở các điểm kiểm tra, đề ra các phƣơng thức điều chỉnh thích hợp
để đảm bảo chất lƣợng điện áp, khi phụ tải luôn thay đổi theo thời gian, cần kịp thời
gian đề ra các biện pháp sao cho chất lƣợng điện áp luôn luôn đạt tiêu chuẩn quy
định.
- 18 -
CHƢƠNG 2: CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO
CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN
Chất lƣợng điện năng đƣợc đặc trƣng bằng các giá trị qui định của điện áp và
tần số trong mạng điện. Chất lƣợng điện năng ảnh hƣởng nhiều đến các chỉ tiêu
kinh tế và kỹ thuật của các hộ dùng điện. Các thiết bị dùng điện chỉ có thể làm việc
với hiệu quả tốt trong trƣờng hợp điện năng có chất lƣợng cao. Vì vậy để nâng cao
chất lƣợng điện năng trong hệ thống cung cấp điện cần phải có các biện pháp nâng
cao chất lƣợng điện năng nhƣ sau.
- Nâng cao hệ số công suất cos
- Chế độ vận hành kinh tế của các máy biến áp, nhằm giảm tổn thất điện năng.
- Tái cấu trúc lƣới điện để giảm tổn thất điện năng.
2.1. Nâng cao hệ số công suất cos
Nâng cao hệ số công suất cos là một trong những biện pháp quan trọng để
tiết kiệm điện năng. Khi hệ số công suất cos đƣợc nâng lên sẽ đƣa đến những hiệu
quả sau đây:
- Giảm đƣợc tổn thất công suất trên mạng điện.
- Giảm đƣợc tổn thất điện áp trong mạng điện.
- Tăng khả năng truyền tải của đƣờng dây và máy biến áp.
Ngoài ra việc nâng cao hệ số công suất cos còn đƣa đến hiệu quả là giảm
đƣợc chi phí kim loại màu, góp phần làm ổn định điện áp, tăng khả năng phát điện
của máy phát điện…
Vì những lý do trên mà việc nâng cao hệ số công suất cos trở thành vấn đề
quan trọng, cần đƣợc phải quan tâm đúng mức trong khi thiết kế cũng nhƣ vận hành
hệ thống cung cấp điện.
- 19 -
2.2. Chế độ vận hành kinh tế của các máy biến áp nhằm giảm tổn thất điện
năng.
Để giảm tổn thất công suất và điện năng trong hệ thống điện thì giải pháp
hiệu quả là các máy biến áp trong các trạm cần có chế độ làm việc hợp lý. Trong
các trạm biến áp cung cấp cho các hộ tiêu thụ loại I và loại II, cũng nhƣ trong các
trạm khu vực thƣờng có nhiều máy biến áp, các máy biến áp này có thể làm việc
song song và độc lập. Khi làm việc độc lập mỗi máy biến áp đƣợc nối vào một phân
đoạn thanh góp riêng biệt vì vậy giảm đƣợc dòng ngắn mạch sau các máy biến áp,
do đó giảm nhẹ sự làm việc của thiết bị và các dụng cụ đóng cắt. Nhƣng chế độ làm
việc độc lập của các máy biến áp không kinh tế so với chế độ làm việc song song
của chúng.
Chế độ vận hành kinh tế nhất của các máy biến áp tƣơng ứng với phụ tải, tỷ
lệ với công suất danh định của chúng. Sự phân phối kinh tế của các phụ tải giữa các
máy biến áp đạt đƣợc trong trƣờng hợp nếu nhƣ các thông số của chúng giống nhau.
Nhƣng trong thực tế điều kiện này thƣờng không đạt đƣợc. Các máy biến áp kiểu
khác nhau cho phép làm việc song song nếu nhƣ tỷ số các công suất của chúng
không lớn hơn 1:3, điện áp ngắn mạch khác nhau không lớn hơn 10%, điện áp của
các đầu điều chỉnh khác nhau không lớn hơn 0,5% và tổ nối của các cuộn dây giống
nhau. Tổn thất công suất tác dụng trong máy biến áp gồm có tổn thất trong lõi thép
và trong các cuộn dây của máy biến áp. Tổn thất công suất trong lõi thép không phụ
thuộc vào phụ tải, còn tổn thất trong các cuộn dây phụ thuộc vào phụ tải của máy
biến áp. Trong chế độ phụ tải lớn tổn thất công suất trong các cuộn dây lớn hơn
nhiều tổn thất trong lõi thép máy biến áp và ngƣợc lại trong chế độ phụ tải nhỏ tổn
thất trong lõi thép lớn đáng kể so với tổn thất trong các cuộn dây máy biến áp vì vậy
khi phụ tải nhỏ, để giảm tổn thất công suất và điện năng cần phải cắt một phần máy
biến áp làm việc song song.
Chúng ta xét phƣơng pháp xác định hợp lý về kinh tế của máy biến áp làm
việc trong các trạm.
- 20 -
Giả thiết rằng, trong trạm có 2 máy biến áp giống nhau và công suất danh
định của mỗi một máy là
dđ
S
. Nếu nhƣ 2 máy biến áp làm việc song song thì tổn
thất công suất tác dụng trong trạm có giá trị nhƣ sau:
2
02
2
1
2
s
dđ
n
S
PPP
(2.1)
Trong đó:
0
P
: Tổn thất công suất trong lõi thép của máy biến áp
n
P
: Tổn thất công suất ngắn mạch
S : Phụ tải của trạm
Khi cắt một máy biến áp, tổn thất công suất tác dụng trong trạm có gía trị
nhƣ sau:
2
01
s
PPP
dđ
n
S
(2.2)
Từ các công thức trên có thể nhận thấy rằng khi ta cắt một máy biến áp sẽ
hợp lý về kinh tế nếu nhƣ tổn thất công suất
1
P
nhỏ hơn
2
P
, nghĩa là:
2
0
2
0
2
1
2
dđ
n
dđ
n
s
s
PP
s
s
PP
(2.3)
Từ đó nhận đƣợc
n
dđ
P
P
SS
0
2
(2.4)
Bất đẳng thức trên chính là điều kiện để cắt hợp lý một máy biến áp trong
trạm có hai máy biến áp.
Tƣơng tự có thể chứng minh rằng khi trong trạm có m máy biến áp làm việc
song song, cắt một trong các máy biến áp sẽ hợp lý về kinh tế nếu nhƣ thỏa mãn
điều kiện sau:
n
dđ
P
mmP
SS
)1.(.
0
(2.5)
- 21 -
Ngoài ra bằng phƣơng pháp xây dựng các đƣờng cong tổn thất công suất
trong trạm có nhiều máy biến áp chúng ta sẽ có thể xác định đƣợc chế độ làm việc
kinh tế của các máy biến áp trong trạm. Chúng ta xét trạm có m máy biến áp công
suất nhƣ nhau S
dđ
. Tổn thất công suất tác dụng trong lõi thép của mỗi máy biến áp
0
P
, tổn thất công suất trong các cuộn dây ở chế độ tải danh định
n
P
. Khi thay đổi
phụ tải S, các đƣờng cong tổn thất
)(SfP
t
đối với số lƣợng các máy biến áp làm
việc khác nhau, dựa vào chế độ phụ tải ta có các phƣơng án vận hành kinh tế các
máy biến áp với các giá trị
1
S
và
2
S
là các phụ tải giới hạn đƣợc sử dụng để xác
minh các chế độ làm việc kinh tế của các máy biến áp trong trạm có nhiều máy biến
áp.
2.3. Khái niệm về bù công suất phản kháng
Nhiệm vụ chủ yếu của mạng điện là cung cấp điện năng cho các hộ tiêu thụ,
thể hiện qua hai chỉ tiêu cơ bản sau:
- Đảm bảo cấp điện liên tục, thỏa mãn nhu cầu điện năng.
- Đảm bảo chất lƣợng điện năng.
Khi truyền năng lƣợng trên đƣờng dây đến các hộ tiêu thụ sẽ gây nên các tổn
thất công suất, tổn thất điện năng, tổn thất điện áp trên các phần tử của mạng điện,
do đó làm xấu đi chất lƣợng điện năng và giảm thấp điện áp trên các phần tử của
mạng điện.
Để giảm tổn thất và nâng cao độ tin cậy, tăng khả năng làm việc của các
phần tử trong mạng điện, một vấn đề đặt ra là giảm sự truyền công suất phản kháng
trên các phần tử có dòng điện chạy qua. Việc truyền công suất phản kháng gây lên
những hiện tƣợng không mong muốn, làm xấu đi những chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của
mạng điện.
Sự truyền tải về công suất phản kháng trên đƣờng dây cũng nhƣ máy biến áp
làm giảm khả năng tải, tăng tiết diện dây dẫn, tăng công suất đặt hay số lƣợng máy
biến áp trong trạm. Từ đó sự truyền tải công suất phản kháng trên đƣờng dây và các
phần tử có dòng điện chạy qua là vấn đề thực tế về mặt kinh tế cũng nhƣ kỹ thuật.
- 22 -
Nhƣ vậy việc bù công suất phản kháng thể hiện ở hai mặt vừa hợp lý vừa bắt buộc,
khi các biện pháp giảm sự tiêu thụ công suất phản kháng (nâng cao hệ số công suất
cos ) đã sử dụng mà chƣa thỏa mãn.
2.3.1. Bù tự nhiên công suất phản kháng
Trong thực tế có những phƣơng pháp mà không cần sử dụng thiết bị chuyên
bù để nâng cao hệ số công suất. Đó chính là các biện pháp bù tự nhiên công suất
phản kháng:
- Đặt các thiết bị bù công suất phản kháng ( Máy bù đồng bộ, các tụ bù tĩnh,
các thiết bị bù điều khiển tĩnh).
- Vận hành kinh tế các trạm biến áp.
- Tối ƣu hóa sự phân phối công suất trong các mạng kín không đồng nhất.
- Nâng cao điện áp danh định của mạng điện.
- Điều chỉnh đồ thị phụ tải ngày và giảm các đỉnh phụ tải trong giờ cực đại…
- Điều chỉnh quá trình công nghệ cho việc nâng cao hệ số cos .
- Sử dụng những động cơ đồng bộ trong những trƣờng hợp có thể.
- Sử dụng các thiết bị có hiệu suất cao.
- Nghiên cứu các phƣơng thức vận hành tối ƣu.
- Nghiên cứu và thực hiện các biện pháp điều hòa phụ tải, nâng cao hệ số
cao thấp điểm, hệ số điền kín phụ tải.
- Nghiên cứu sắp xếp, điều chỉnh quá trình sản xuất trong xí nghiệp để đảm
bảo cho các thiết bị tiêu thụ điện (động cơ, máy biến áp, máy hàn…) không bị
thƣờng xuyên không tải hoặc non tải.
Hiện nay vấn đề vận hành tối ƣu hệ thống điện rất đƣợc quan tâm, sử dụng
các thiết bị điện có hiệu suất cao và giảm mức tiêu thụ năng lƣợng, tăng cƣờng quản
lý việc tiêu thụ và sử dụng.
2.3.2. Sử dụng thiết bị bù công suất phản kháng
Trong Hệ thống điện, CSPK có thể nhận đƣợc từ nhiều nguồn khác nhau
nhƣ: các bộ tụ điện tĩnh, các máy bù đồng bộ, các kháng điện có điều chỉnh…
Mục đích sử dụng của các thiết bị bù:
- 23 -
- Cân bằng CSPK trong hệ thống điện
- Nâng cao khả năng tải của đƣờng dây
- Giảm tổn thất điện năng
- Điều chỉnh điện áp
Chúng ta xét hiệu ứng điều chỉnh của các thiết bị bù trong Hệ thống điện:
- Tụ bù dọc: Bù dọc là giải pháp làm tăng điện dẫn liên kết (giảm điện cảm
kháng X của đƣờng dây) bằng dung kháng X
C
của tụ điện. Giải pháp này thực hiện
bằng cách mắc nối tiếp tụ điện vào đƣờng dây. Qua đó giới hạn truyền tải của
đƣờng dây theo điều kiện ổn định tĩnh đƣợc nâng lên. Hơn nữa, giới hạn ổn định
động cũng tăng lên một cách giám tiếp do nâng cao thêm đƣờng cong công suất
điện từ.
Tổn thất điện áp trên đƣờng dây khi có bù dọc:
∆U = I[R + j(X
L
- X
C
)] (2.6)
- Kháng bù ngang: Bù ngang đƣợc thực hiện bằng cách lắp kháng điện có
công suất ổn định hay các kháng điện có thể điều khiển tại các thanh cái của các
trạm biến áp. Kháng bù ngang này có thể đặt ở phía cao áp hay phía hạ áp của máy
biến áp. Khi đặt ở phía cao áp thì có thể nối trực tiếp song song với đƣờng dây hoặc
nối qua máy cắt đƣợc điều khiển bằng khe hở phóng điện.
- Tụ bù ngang: Bù ngang bằng tụ đƣợc thực hiện bằng cách mắc song song tụ
điện ở đầu nhận nhằm mục đích nâng cao hệ số công suất. Tụ bù ngang là một
nguồn phát CSPK. Tụ điện có thể đƣợc nối trực tiếp vào thanh cái.
Việc bù CSPK ở cuối đƣờng dây trong thực tế ứng dụng để điều chỉnh điện
áp trên thanh cái.
- Các thiết bị bù có điều khiển:
Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS - Flexible AC
Transmissio System ) là một công nghệ mới đƣợc phát triển trong hệ thống điện lực.
Nó đƣợc xây dựng trên sự tiến bộ của công nghệ điện tử công suất. Trải qua hàng
thập kỷ, ở rất nhiều nơi trên toàn cầu, các kinh nghiệm có đƣợc trong vận hành
đƣờng dây cao áp một chiều (HVDC) và hệ thống bủ tĩnh đã thúc đẩy việc nghiên
- 24 -
cứu sâu hơn về thiết bị điện tử công suất mới và ứng dụng của chúng nhằm đào tạo
điều kiện vận hành thuận tiện hệ thống truyền tải cao áp và mạng phân phối hạ áp.
Một số lƣợng lớn các công trình nghiên cứu đã góp vào sự phát triển nhanh chóng
của công nghệ FACTS.
Với việc ứng dụng các thành tựu đã đạt đƣợc của công nghệ bán dẫn và quá
trình truyền tải điện, các linh kiện điện tử công suất lớn, điện áp cao nhƣ Thyristor,
GTO (Gate Turn-Off Thyristor) có thể sử dụng vào các hệ thống truyền tải điện
xoay chiều linh hoạt. FACTS đã góp phần vào việc giải quyết những hạn chế trên
đƣờng dây truyền tải, nâng cao tính ổn định và tận dụng triệt để các thiết bị hệ
thống hiện có.
2.3.3. Sử dụng thiết bị bù công suất phản kháng trong lƣới điện phân phối
Đối với hệ thống điện lớn, lƣợng tiêu thụ công suất phản kháng có thể nên tới
60 70% công suất tác dụng. Khi đó vấn đề bù công suất phản kháng bằng thiết bị
chuyên bù đƣợc quan tâm hơn và sử dụng rộng rãi.
Việc tăng số lƣợng và công suất của thiết bị chuyên bù sẽ làm giảm sự truyền
công suất phản kháng trên đƣờng dây và các phần tử có dòng điện đi qua dẫn đến
làm giảm tổn thất điện áp, tổn thất công suất, tổn thất điện năng, giảm tiết diện dây
dẫn củng cố chất lƣợng nguồn điện và những tiêu chí khác. Tuy nhiên sẽ có tổn thất
công suất trên thiết bị bù đồng thời cũng đòi hỏi vốn đầu tƣ cho thiết bị bù. Do đó
việc bù công suất phản kháng bằng thiết bị chuyên bù cần đƣợc cân nhắc kỹ về kinh
tế - kỹ thuật. Trong hệ thống điện, bù công suất phản kháng phân ra làm 2 loại:
- Bù kỹ thuật : Bù một lƣợng công suất phản kháng nhất định để đảm bảo cân
bằng công suất phản kháng trong hệ thống điện.
- Bù kinh tế : Mục tiêu bù của bài toán này là nâng cao hiệu quả kinh tế của
mạng điện. Trong quá trình vận hành, có thể xảy ra trƣờng hợp công suất phản
kháng thiếu cục bộ do vậy cần phải bù thêm vào phạm vi thiếu đó. Bù kinh tế cũng
sẽ giảm đƣợc tổn thất do giảm lƣợng công suất phản kháng truyền tải trên đƣờng
dây. Bài toán bù kinh tế sẽ tính toán so sánh lợi ích kinh tế đạt đƣợc và chi phí đầu
tƣ thiết bị bù.
- 25 -
Bù công suất phản kháng bằng tụ điện trên lƣới điện phân phối huyện
Phú Bình.
Tụ điện là thiết bị chuyên bù chỉ phát công suất phản kháng. Công suất chế
tạo trong mỗi tụ phụ thuộc vào cấp điện áp, có thể ghép chúng thành bộ tụ điện có
công suất, điện áp bất kỳ theo yêu cầu. Bộ tụ thƣờng đƣợc đóng vào lƣới 3 pha theo
sơ đồ tam giác hoặc hình sao. Khi cắt tụ cần chú ý giải phóng năng lƣợng tích trong
chúng qua điện trở nối với bộ tụ. Trị số của điện trở phóng điện cần phải đảm bảo
không xuất hiện quá điện áp cục bộ khi cắt tụ ra khỏi lƣới. Các nghiên cứu đã chứng
minh hiệu quả kinh tế khi sử dụng tụ điện tĩnh để bù công suất phản kháng trong
lƣới điện phân phối nhƣ sau:
- Chi phí cho một kVAr rẻ hơn so với các thiết bị bù khác.
- Tổn thất công suất tác dụng trong tụ điện rất bé khoảng 0,3 0,5 W/Var
trong nhiều trƣờng hợp tính toán có thể bỏ qua.
- Vận hành đơn giản, độ tin cậy cao hơn máy bù đồng bộ.
- Về mặt lý thuyết có công suất của tụ không hạn chế bằng cách tổ hợp các
bộ tụ còn máy bù đồng bộ có công suất hạn chế.
- Lắp đặt đơn giản, có thể phân ra làm nhiều cụm để lắp rải trên lƣới phân
phối nên đạt hiệu qủa cao, cải thiện đƣờng cong phân bố điện áp tốt hơn.
- Chi phí quản lý, vận hành nhỏ, bảo dƣỡng, sửa chữa đơn giản.
Nhƣợc điểm:
- Công suất phản kháng do tụ điện phát ra phụ thuộc vào điện áp vận hành,
dễ hƣ hỏng khi bị ngắn mạch, quá áp.
- Không điều chỉnh trơn công suất bù.
- Chỉ có thể phát công suất phản kháng do tụ điện phát ra phụ thuộc vào điện
áp vận hành, dễ hƣ hỏng khi bị ngắn mạch, quá áp.
Để bảo vệ quá áp và kết hợp điều chỉnh tụ bù theo điện áp ngƣời ta lắp đặt bộ
điều chỉnh để đóng cắt tụ theo điện áp. Với các ƣu điểm so với các thiết bị bù khác,
ngày nay phần lớn ngƣời ta dùng tụ điện tĩnh để bù công suất phản kháng trong
mạng phân phối.
- 26 -
Các yêu cầu kỹ thuật khi bù
Những yêu cầu sau đây luôn đƣợc đảm bảo đối với những bài toán bù công
suất phản kháng trong lƣới phân phối ở chế độ không đối xứng với dòng điện xoay
chiều cơ bản. Trong những yêu cầu này không xét đến các chế độ không đối xứng,
không sin cũng nhƣ các chế độ phụ tải biến thiên nhiều.
- Lựa chọn công suất, vị trí lắp đặt và chế độ làm việc bù nhất thiết phải đảm
bảo tính kinh tế cao nhất với việc tuân thủ các giằng buộc kỹ thuật.
- Khi thiết kế, thiết bị bù đƣợc chọn đồng thời với tất cả các phần tử của
mạng, các phần tử này sẽ đƣợc chọn thu nhỏ hơn khi có tính đến việc bù công suất
phản kháng.
- Những yêu cầu kỹ thuật cần đảm bảo:
+ Chế độ cho phép của điện áp trong mạng phân phối.
+ Dòng điện phụ tải cho phép của tất cả các phần tử lƣới điện.
+ Ở phƣơng thức phụ tải cực tiểu cắt hoàn toàn tụ bù để giảm công suất phản
kháng. Chế độ làm việc của nguồn công suất phản kháng phải ở trong giới hạn cho
phép.
+ Đảm bảo đủ công suất phản kháng dự trữ cần thiết ở các nút mạng điện.
+ Đảm bảo ổn định tĩnh và ổn định động của mạng điện các hộ tiêu thụ
- Chỉ tiêu kinh tế là cực tiểu hàm chi phí.
- Những thiết bị bù đã đƣợc xác định thiết kế phải đƣợc lắp đặt theo trình
nhất định. Khi không có thiết bị bù hoặc không đủ dung lƣợng bù không cho phép
việc đóng vào các phụ tải điện.
- Việc lựa chọn thiết bị bù phải tiến hành ở chế độ tiêu thụ công suất phản
kháng cực đại trong mạng điện đƣợc thiết kế.
Để vận hành kinh tế nhất thiết bị bù, một phần của thiết bị điều chỉnh công
suất phản kháng, tƣơng ứng với nhiệm vụ điều chỉnh điện áp và sự thay đổi phụ tải
phản kháng phát của lƣới.
Trên lƣới điện phân phối huyện Phú Bình hiện nay, việc bù công suất phản
kháng không chỉ đƣợc tiến hành bù trung thế (tại thanh cái trạm, các điểm trên lƣới
- 27 -
trung áp) mà hiện nay còn triển khai hệ thống bù hạ thế tại trạm phân phối, tại các
phụ tải công cộng lớn tập trung, sử dụng công nghệ điều khiển sóng, hay kết hợp sử
dụng các rơle điều khiển cos đem lại hiệu quả khá cao.
Điều khiển bù công suất phản kháng sử dụng Ripple Control
Việc thực hiện bù công suất phản kháng bằng cách sử dụng các bộ tụ bù trên
lƣới phân phối hạ áp mang lại hiệu quả rất cao trong việc nâng cao chất lƣợng điện
năng cung cấp cho khách hàng sử dụng điện. Về nguyên lý cơ bản dựa trên hệ thống
điều khiển phụ tải bằng sóng. Có thể nói bằng việc đang triển khai ứng dụng linh
hoạt công nghệ tiên tiến của thế giới cho tình hình cụ thể trên lƣới điện phân phối
trong nƣớc.
2.4. Tái cấu trúc lƣới điện giảm tổn thất điện năng
2.4.1. Giới thiệu chung về tái cấu trúc lƣới điện
Trong mạng phân phối điện, phụ tải trên mạng phân phối điện ngày càng
tăng nhƣng sự gia tăng phụ tải phải nằm trong giới hạn cho phép, trong khi đó cấu
trúc của mạng vẫn giữ nguyên. Muốn giảm tổn thất điện năng ngƣời ta sẽ dùng các
phƣơng pháp nhƣ: đặt tụ bù tại các vị trí thích hợp, cải tạo lại lƣới điện… nhƣng
nếu làm nhƣ thế sẽ đòi hỏi phải cần đầu tƣ rất nhiều mà hiệu quả giảm tổn thất điện
năng lại không đáng kể. Vì vậy, khi phụ tải tăng trong giới hạn cho phép của mạng
phân phối, ta có thể dùng phƣơng pháp tái cấu trúc để làm giảm tổn thất trên đƣờng
dây.
Mạng phân phối đặc trƣng là mạng vòng nhƣng vận hành hở có nghĩa là
mạng vận hành phải là mạng hình tia. Vấn đề tiếp theo là đóng mở các khóa trong
mỗi vòng sao cho tổn thất trên mạng phân phối đặc trƣng là nhỏ nhất. Để làm đƣợc
điều này ta cần phải có hàm mục tiêu để có thể tìm kiếm cấu trúc cho tổn thất nhỏ
nhất.
Hàm mục tiêu của bài toán tái cấu trúc cho nạng phân phối đặc trƣng:
- Tổn thất:
