Phân tích, tính toán chế độ của lưới phân phối và giải bài toán bù tối ưu

i

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌCKỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





LÊ QUANG TUÂN





PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ CỦA LƢỚI PHÂN
PHỐI VÀ GIẢI BÀI TOÁN BÙ TỐI ƢU









LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành:KỸ THUẬT ĐIỆN

THÁI NGUYÊN - NĂM 2014
ii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong bản luận văn này là
những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, có tham khảo một số tài liệu và bài
báo của các tác giả trong và ngoài nước đã được xuất bản. Tôi xin hoàn toàn
chịu trách nhiệm nếu có sử dụng lại kết quả của người khác.

Thái Nguyên, ngày 02 tháng 8 năm 2014

Lê Quang Tuân
















iii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

LỜI CẢM ƠN

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 GS - TS. Lã Văn Út. Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Bộ
môn Hệ thống điện - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và các thầy cô giáo
trường 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 người 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 được những chỉ dẫn, góp ý của các thầy giáo, cô
giáo cũng như các đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn và chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 02 tháng 8 năm 2014




Lê Quang Tuân














iv

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC VIẾT TẮT vi
DANH MỤC CÁC BẢNG vii
DANH MỤC CÁC HÌNH viii
MỞ ĐẦU 1
1. Tính cấp thiết của đề tài: 1
2. Mục tiêu nghiên cứu: 1
3. Phƣơng pháp nghiên cứu 1
4. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài 2
4.1. Ý nghĩa khoa học 2
4.2. Tính thực tiễn của đề tài. 3
Chƣơng 1 4
1.1. Tổn thất điện năng trong hệ thống điện và vấn đề giảm tổn thất khi
vận hành 4
1.1.1. Các nguyên nhân gây ra tổn thất trong HTCCĐ 4
a.Tổn thất kỹ thuật 4
b. Tổn thất phi kỹ thuật 5
1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tổn thất và khả năng giảm thiểu tổn thất 6
a. Điện áp làm việc của trang thiết bị 6
b. Truyền tải công suất phản kháng 6
1.1.3. Vấn đề áp dụng các biện pháp giảm thiểu tổn thất trong điều kiện vận
hành 8
1.2. Hiệu quả giảm tổn thất bằng biện pháp bù CSPK 9
1.2.1. Khái niệm về CSPK 9
1.2.2 Hệ số công suất và quan hệ với bù CSPK 11
1.3 Các phƣơng tiện bù CSPK 12

1.3.1. Máy bù đồng bộ 12
1.3.2. Tụ bù tĩnh cố định 13
1.3.3. Tụ bù tĩnh điều chỉnh theo chế độ làm việc 14
1.3.4. Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn được đồng bộ hóa 14
1.4 Tổng quan về mô hình và phƣơng pháp bù kinh tế trong LĐPP 15
1.4.1. Bài toán bù kinh tế áp dụng thuật toán quy hoạch toán học cực đại hóa
lợi nhuận trong khoảng thời gian tính toán định trước 15
a. Thành phần lợi ích Z
1
thu được do giảm tổn thất điện năng hàng năm sau
khi đặt thiết bị bù 16
b. Thành phần chi phí do đầu tư lắp đặt thiết bị bù Z
2
16
c. Thành phần chi phí cho tổn thất trong bản thân thiết bị bù Z
3
17
v

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

1.4.2 Bài toán bù kinh tế với phương pháp đặt bù theo chi phí tính toán cực
tiểu Z
min
. 18
1.4.3. Bài toán bù kinh tế với hàm mục tiêu là cực đại hóa lợi nhuận hàng năm
do đặt thiết bị bù 19
1.5. Kết luận chƣơng 1 20
Chƣơng 2 21
2.1. Đặt vấn đề 21

2.2. Hiệu quả kinh tế lắp đặt thiết bị bù trong LPP 22
2.2.1. Hiệu quả làm giảm tổn thất do lắp đặt thiết bị bù 22
2.2.2. Hiệu quả kinh tế lắp đặt thiết bị bù 23
2.2.3. Suất giảm chi phí tổn thất và thời gian thu hồi vốn của dung lượng bù
đặt thêm 26
2.3. Giải bài toán bù tối ƣu CSPK trong LĐPP 27
2.3.1. Đánh giá hiệu quả bù tại các nút của LĐPP 27
2.3.2. Xác định dung lượng bù tối ưu tại các nút theo hàm mục tiêu là cực đại
hóa lợi nhuận thu được hàng năm 28
2.3.3. Xác định dung lượng bù tối ưu cho một số ít nút đã chọn 32
2.3.4. Ưu điểm của thuật toán đề xuất 33
2.4. Giới thiệu một số chƣơng trình tính toán chế độ xác lập, có thể kết
hợp tính toán lựa chọn vị trí và dung lƣờng bù 34
2.4.1. Phần mềm CONUS 34
2.4.2. Phần mềm PSS/E ( Power Sytem Simulato for Engineering) 35
2.4.3. Phần mềm PSS/ADEPT 35
2.4.4. Phần mềm POWER WORLD 36
2.5. Kết luận chƣơng 2 38
CHƢƠNG 3 39
3.1. Tổng quan về đặc điểm tự nhiên, kinh tế- xã hội 39
3.1.1 Đặc điêm tự nhiên 39
3.1.2. Đặc điểm kinh tế- xã hội 40
3.2. Đặc điểm lƣới điện phân phối và sự tiêu thụ công suất phản kháng 41
3.2.1. Vai trò của lưới điện phân phối 41
a. Tổng quát 41
b. Đặc điểm chung của lưới phân phối 42
3.2.2 Sự tiêu thụ và các nguồn phát công suất phản kháng 43
a. Sự tiêu thụ công suất phản kháng 43
b. Các nguồn phát công suất phản kháng 43
3.3 Hiện trạng nguồn và lƣới điện chi nhánh điện Sông Công. 44

3.3.1 Các nguồn cung cấp điện. 44
3.3.2 Lưới điện trung áp và các trạm biến áp. 45
a. Hiện trạng tải của các máy biến áp phân phối. 45
b. Trạm biến áp. 52
3.4. Tình hình sử dụng điện hiện tại. 54
vi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

3.5. Tính toán chế độ xác lập, đánh giá tổn thất và nhu cầu bù kinh tế - 54
3.5.1 Tính toán chế độ xác lập 54
a. Số liệu phụ tải. 55
b. Số liệu nhánh: 55
c. Số liệu Máy Biến Áp: 57
3.5.2. Kết quả tính toán chế độ xác lập ban đầu (trạng thái hiện tại) 57
a. Cập nhật số liệu LĐPP vào chương trình tính toán 57
3.5.3. Đánh giá nhu cầu đầu tư lắp đặt thiết bị bù kinh tế của LĐPP 62
a. Cài đặt các thông số tính toán cho bài toán bù kinh tế 62
b. Đánh giá hiệu quả bù thông qua tính toán suất giảm chi phí tổn thất và thời
gian thu hồi vốn đầu tư thiết bị bù 63
3.6. Xác định dung lƣợng bù tối ƣu cho các nút của LĐPP 67
3.6.1. Kết quả tính sơ bộ cho mọi nút có khả năng đặt bù 67
3.6.2. Kết quả tính toán với số nút bù đã được giảm bớt 68
3.7 .Tính toán chế độ xác lập, đánh giá tổn thất và nhu cầu bù kinh tế
trong trƣờng hợp phụ tải tăng 10%. 69
3.5.1 Tính toán chế độ xác lập 70
a. Số liệu phụ tải. 70
b. Số liệu nhánh: 70
c. Số liệu Máy Biến Áp: 71
3.5.2. Kết quả tính toán chế độ xác lập ban đầu (trạng thái hiện tại) 71

a. Cập nhật số liệu LĐPP vào chương trình tính toán 71
b. Kết quả tính toán 73
3.5.3. Đánh giá nhu cầu đầu tư lắp đặt thiết bị bù kinh tế của LĐPP 74
a. Cài đặt các thông số tính toán cho bài toán bù kinh tế 74
b. Đánh giá hiệu quả bù thông qua tính toán suất giảm chi phí tổn thất và thời
gian thu hồi vốn đầu tư thiết bị bù 74
3.8. Xác định dung lƣợng bù tối ƣu cho các nút của LĐPP 79
3.8.1 .Kết quả tính sơ bộ cho mọi nút có khả năng đặt bù 79
3.8.2. Kết quả tính toán với số nút bù đã được giảm bớt 80
KẾT LUẬN CHUNG 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO 83
PHỤ LỤC 84







vi


DANH MỤC VIẾT TẮT


TT
Danh mục
Viết tắt
1.
Việt nam đồng

VNĐ
2.
Máy biến áp
MBA
3.
Trạm biến áp
TBA
4.
Hàm mục tiêu
HMT
5.
Hệ thống cung cấp điện
HTCCĐ
6.
Trạm biến áp phân phối
TBAPP
7.
Lưới điện phân phối
LĐPP
8.
Chế độ xác lập
CĐXL
9.
Công suất phản kháng
CSPK
10.
Đường dây siêu cao áp
ĐDSCA
11.
Lưới điện truyền tải

LĐTT


















vii


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1. Hiện trạng nguồn cấp
Bảng 3.2. Bảng thông số hiện trạng tải của MBAPP 35kV
Bảng 3.3. Bảng thông số hiện trạng tải của MBAPP 22kV
Bảng 3.4. Bảng thông số hiện trạng tải của MBAPP 10kV
Bảng 3.5. Bảng thông số hiện trạng tải của MBAPP 6kV
Bảng 3.6. Số lượng trạm và MBA

Bảng 3.7. Thống kê số lượng các loại MBA
Bảng 3.8. Bảng số liệu phụ tải 373E6.3
Bảng 3.9. Bảng số liệu đường dây lộ 373E6.3
Bảng 3.10. Bảng số liệu MBA lộ 373E6.3
Bảng 3.11. Phân bố điện áp phía 10kV
Bảng 3.12. Phân bố điện áp phía 0,4kV
Bảng 3.13. Phân tích hiệu quả bù phía cao áp 10kV
Bảng 3.14. Phân tích hiệu quả bù phía hạ áp 0.4kV
Bảng 3.15. Bảng số liệu phụ tải khi tải tăng 10%
Bảng 3.16. Phân tích hiệu quả bù phía cao áp 10kV (khi tải tăng 10%)
Bảng 3.16. Phân tích hiệu quả bù phía hạ áp 0.4kV (khi tải tăng 10%)








viii


DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Mạch điện RL đơn giản
Hình 1.2. Tam giác tổng trở
Hình 1.3. Tam giác công suất
Hình 1.4. Giản đồ vecto dòng điện
Hình 1.5. Đường dây truyền tải có đặt máy bù đồng bộ
Hình 2.1. Sơ đồ lưới điện đơn giản

Hình 2.2. Hiệu quả giảm tổn thất của thiết bị bù
Hình 2.3. Hiệu quả kinh tế
Hình 2.4. Lưới hình tia phức tạp
Hình 2.5. Sơ đồ thuật toán
Hình 3.1. Số liệu tất cả các nút
Hình 3.2. Số liệu đường dây:
Hình 3.3. Số liệu MBA
Hình 3.4. thông số MBA:
Hình 3.5. Các nút có hiệu quả bù cao trong LĐPP
Hình 3.6. Kết quả bù tối ưu phương án cao
Hình 3.7. Kết quả bù tối ưu phương án hạn chế số nút
Hình 3.8. so liệu nút (khi tải tăng 10%)
Hình 3.9. Số liệu đường dây (khi tải tăng 10%)
Hình 3.10. Thông sốMBA (khi tải tăng 10%)
Hình 3.11. Các nút có hiệu quả bù cao trong LĐPP(tải tăng 10%)
Hình 3.12. Kết quả bù tối ưu phương án cao(tải tăng 10%)
Hình 3.13. Kết quả bù tối ưu phương án hạn chế số nút(tải tăng 10%)


1


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Thực tế Lưới điện phân phối ở nước có sự phân bố rộng khắp các khu
vực lãnh thổ do vậy lưới điện phân phối chiếm vị trí quan trọng và nó quyết
định tới chất lượng điện năng tại nơi tiêu thụ.Với sự phát triển nhanh chóng
phức tạp của lưới điện phân phối thì yêu cầu về chất lượng điện năng và hiệu
quả kinh tế của lưới điện ngày càng cao.
Trong khi đó một trong những biện pháp hiệu quả để giảm tổn thất điện

năng,vận hành kinh tế và cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật của lưới điện phân
phối là đặt thiết bị bù.
Mặt khác hiện nay xuất hiện nhiều phương tiện bù khác nhau có chất
lượng cao ví dụ như bù tụ điện có thể điều chỉnh tự động dung lượng, hoặc sử
dụng thiết bị SVC_là thiết bị bù ngang tĩnh được lắp đặt ở các nút để nhanh
chóng điều chỉnh điện áp, và cũng có tác dụng nâng cao ổn định.
Do vậy áp dụng thiết bị bù là cấp thiết và có ý nghĩa kinh tế quan trọng.
Cũng vì lý do này mà đề tài: “ Phân tích ,tính toán chế độ của lưới điện phân
phối và giải bài toàn bù tối ưu” được chọn xuất phát từ ý tưởng nêu trên.
2. Mục tiêu nghiên cứu:
Tổng quan các phương pháp tính toán phân tích tổn thất, các phương
pháp hiệu quả bù kinh tế và lựa chọn phương pháp hiệu quả và phù hợp nhất
để ứng dụng vào thực tế cho một mạng phân phối.
Luận văn sẽ áp dụng cụ thể vào một số nhánh của lưới điện thành phố
Thái Nguyên để đánh giá hiệu quả của phương pháp bù.
3. Phƣơng pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa lý thuyết với tính toán và kiểm tra trên sơ đồ cụ thể. Về lý
thuyết, nghiên cứu các tài liệu tham khảo, đặc biệt là các tài liệu chuyên
2


ngành về thiết bị bù, phương pháp bù, nâng cao chất lượng điện năng. Sử
dụng phần mềm để tính toán bài toán bù.
Đánh giá hiệu quả bù dùng phương pháp so sánh tổn thất trước và sau
bù, so sánh các phương pháp khác nhau để lựa chọn được phương pháp phù
hợp và hiệu quả nhất để áp dụng vào lưới điện cụ thể.
Các phương pháp chủ yếu hiện nay để tính toán phương pháp bù:
-Phương pháp đặt bù theo chi phí tính toán cực tiểu Z
min
.

-Áp dụng thuật toán quy hoạch toán học để cực đại hóa lợi nhuận trong
khoảng thời gian tính toàn định trước.
-Phương pháp cực tiểu hóa thời gian thu hồi vốn của thiết bị bù.
Dự kiến sẽ sử dụng phương pháp cực tiểu hóa thời gian thu hồi vốn của
thiết bị bù. Phương pháp này có lợi thế là rất dễ đánh giá hiệu quả của thiết bị
bù. Nếu thời gian thu hồi vốn nhỏ hơn thời gian định trước thì nên đặt thiết bị
bù. Nếu thời gian thu hồi vốn lớn hơn thời gian định trước thì không nên đặt
thiết bị bù. Chỉ đặt thiết bị bù khi thời gian thu hồi vốn nhỏ hơn thời gian quy
định.
4. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
4.1. Ý nghĩa khoa học
Trong quá trình truyền tải điện năng đi xa từ nơi sản xuất đến nơi tiêu
thụ, lượng tổn thất điện năng trong quá trình này là rất lớn, các khảo sát, báo
cáo gần đây cho thấy tổn thất điện năng trong lưới phân phối chiếm tỉ lệ cao
(5-7)%. Chất lượng điện áp trong lưới phân phối tại một số nút không đáp
ứng được tiêu chuẩn. Trong khi đó nước ta đang trong giai đoạn hội nhập, mở
cửa, thực hiện công nghiệp hóa, hiện đại hóa, nhu cấu sử dụng điện tăng
nhanh, tình hình thiếu điện ngày càng trầm trọng. Do vậy việc thực hiện giảm
tổn thất điện năng lưới điện phân phối góp phần năng cao chất lượng điện
năng, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn góp phần tích cực đưa nền kinh
tế đất nước phát triển bền vững.
3


4.2. Tính thực tiễn của đề tài.
Đề tài nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu thực tế của lưới điện phân phối
Sông Công - Thái Nguyên do vậy kết quả mang tính chất thực tiễn có thể áp
dụng rộng rãi.
Các nội dung chính:
Chƣơng 1: Tổng quan về tổn thất điện năng và phƣơng pháp bù

kinh tế trong lƣới điện phân phối.
Chƣơng 2: Phƣơng pháp tính toán lựa chọn vị trí và dung lƣợng bù
tối ƣu.
Chƣơng 3: Nghiên cứu áp dụng bù kinh tế cho lƣới điện phân phối
chi nhánh điện Sông Công - Thái Nguyên
Kết luận chung
















4


Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG VÀ
PHƢƠNG PHÁP BÙ KINH TẾ TRONG LƢỚI ĐIỆN PHÂN
PHỐI

1.1. Tổn thất điện năng trong hệ thống điện và vấn đề giảm tổn
thất khi vận hành
1.1.1. Các nguyên nhân gây ra tổn thất trong HTCCĐ
Tổn thất điện năng trong hệ thống điện luôn luôn tồn tại do nhiều
nguyên nhân khác nhau: mất mát năng lượng do hiệu ứng Joule, tổn thất từ trễ
và dòng Foucault trong lõi từ của máy điện, tổn thất vầng quang trên các
đường dây truyền tải điện, tổn thất do sai số trong hệ thống đo đếm, tổn thất
do gian lận sử dụng v.v… Những nguyên nhân này có thể được chia thành 2
nhóm: tổn thất kỹ thuật và tổn thất phi kỹ thuật.
a.Tổn thất kỹ thuật
Tổn thất kỹ thuật là tổn thất tồn tại do bản chất vật lý của các phần tử
trong hệ thống điện. Nó phản ảnh hiệu suất của hệ thống trong quá trình sản
xuất, truyền tải và phân phối điện năng tới nơi tiêu thụ. Các thành phần chính
của tổn thất kỹ thuật bao gồm
- Tổn thất trên điện trở của mọi phần tử có dòng điện chạy qua
Tổn thất trên điện trở của phần tử tỉ lệ với bình phương của dòng điện
chạy qua phần tử đó theo biểu thức
2
.P I R
. Tuy nhiên cũng cần phải xét
đến mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở của phần tử bởi vì khi dòng điện
tăng lên thì nhiệt độ của thiết bị cũng tăng.
- Các tổn thất không tải do phần tử mang điện áp
Tổn thất không tải xuất hiện trong các phần tử có chứa mạch từ như
máy biến áp, động cơ, điện kháng, nam châm điện, các thiết bị bù. Dạng tổn
thất này thường tỷ lệ xấp xỉ với bình phương của điện áp và bao gồm các
5


thành phần như tổn thất do hiện tượng từ trễ, tổn thất do dòng điện foucault

và tổn thất do hỗ cảm giữa các phần tử.
- Tổn thất vầng quang
Tổn thất vầng quang xuất hiện trên các đường dây truyền tải điện do
mất mát năng lượng vào việc ion hóa không khí xung quanh đường dây.
Tổn thất kỹ thuật có thể được phân loại theo cấp điện áp.
- Tổn thất ở lưới truyền tải:
+ Tổn thất trên các đường dây truyền tải (500kV, 220kV, 110kV)
+ Tổn thất qua máy biến áp truyền tải
- Tổn thất ở lưới phân phối:
+ Tổn thất ở các phía cao áp lưới phân phối (35kV, 22kV, 10kV, 6kV)
+ Tổn thất qua máy biến áp phân phối
+ Tổn thất ở lưới hạ áp (0,4kV)
b. Tổn thất phi kỹ thuật
Là tổn thất do sự chênh lệch giữa lượng điện năng sử dụng và lượng
điện năng được tính tiền. Sự chênh lệch này là do sai số của thiết bị đo đếm
như công tơ, máy biến dòng, do những phụ tải không được tính tiền hoặc do
trộm cắp, gian lận thương mại. Tổn thất phi kỹ thuật phản ánh hiệu quả quản
lý điện năng từ khâu sản xuất, truyền tải và phân phối tới khách hàng. Tổn
thất phi kỹ thuật bao gồm các thành phần chính:
- Tổn thất do sai số của thiết bị đo đếm
Các thiết bị đo đếm bao gồm các máy biến dòng điện, máy biến điện
áp, wattmet, công tơ, các thiết bị hiển thị cơ và số. Tổn thất điện năng có thể
xuất hiện do sai số cũng như hỏng hóc của các thiết bị này. Lượng tổn thất
này có thể khá lớn vì số lượng các thiết bị đo đếm được sử dụng trong HTĐ là
rất nhiều.
- Tổn thất do lỗi trong việc tính toán hóa đơn điện năng tiêu thụ
- Tổn thất do gian lận, ăn trộm điện của người sử dụng
6

Bên cạnh các nguyên nhân gây ra tổn thất, cũng phải xét đến cả các yếu
tố ảnh hưởng đến tổn thất. Các yếu tố này không trực tiếp gây nên tổn thất
nhưng lại ảnh hưởng nhiều đến trị số của tổn thất.
1.1.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến tổn thất và khả năng giảm thiểu tổn thất
a. Điện áp làm việc của trang thiết bị
Làm việc với điện áp càng cao, dòng điện càng bé, vì thế chọn cấp điện
áp khi thiết kế (đường dây, máy biến áp) và điều chỉnh điện áp lúc vận hành
đều có ảnh hưởng mạnh đến trị số tổn thất công suất và điện năng.
- Nâng cấp điện áp định mức của lưới điện.
Là biện pháp giảm tổn thất rất đáng kể bởi trị số tổn thất tỉ lệ nghịch
với bình phương của điện áp định mức:

R
U
QP
RI3P
2
22
2
(1.1)
Tuy nhiên nâng cấp điện áp lại liên quan với việc cần tăng vốn đầu tư cho
cách điện và kết cấu lưới, cần so sánh lựa chọn theo chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật.
- Điều chỉnh điện áp tại máy biến áp
Các máy biến áp trong HTĐ hầu hết đều có khả năng điều chỉnh điện áp
bằng cách thay đổi đầu phân áp. Việc thay đổi đầu phân áp cho phép lựa chọn
điện áp làm việc tối ưu cho đường dây tải điện (ở mức cao giới hạn trong mọi
chế độ tải) nhờ đó giảm được tổn thất. Ngoài ra, thay đổi đầu phân áp còn
làm thay đổi sự phân bố công suất phản kháng trong lưới, nếu có phương
pháp điều khiển tối ưu cũng có thể giảm được trị số tổn thất xuống đến mức
thấp nhất.

b. Truyền tải công suất phản kháng
Cân bằng công suất phản kháng nút là điều kiện cần để đảm bảo chất
lượng điện năng. Mất cân bằng công suất phản kháng điện áp nút sẽ thay đổi.
Trong HTĐ luôn luôn tồn tại quá trình truyền tải công suất phản kháng (kèm
7


theo với công suất tác dụng), dòng điện tăng lên, làm tăng cao trị số tổn thất
công suất tác dụng (công thức 1.1).
Có thể thấy rõ hơn điều này nếu biểu diễn tổn thất CSTD tổng ∆P như
gồm 2 thành phần:

QP
2
2
2
22
22
2
PPQ
U
R
P
U
R
R
U
QP
RI3P

Thành phần ∆P
Q
tỉ lệ với bình phương của CSPK truyền tải, vì thế giảm
công suất phản kháng truyền tải là biện pháp rất hiệu quả giảm thiểu tổn thất.
- Ảnh hưởng của các thiết bị bù
Các thiết bị bù công suất phản kháng thường được đặt ở phụ tải. Các
thiết bị này có tác dụng phát công suất phản kháng vào thanh cái kết nối, vì
thế nếu đặt ở nút phụ tải có thể giảm lượng công suất phản kháng chạy trên
đường dây về nút. Một đường dây tải công suất S = P+jQ đến phụ tải cuối,
tổn thất công suất tác dụng tính được theo (1.1), nếu đặt bù vào cuối đường
dây với dung lượng Q
b
, tổn thất chỉ còn:

R
U
)QQ(P
RI3P
2
2
b
2
2
.
Ngoài ra khi giảm truyền tải CSPK điện áp lưới được cải thiện (nâng cao),
càng hậu thuẫn thêm cho hiệu quả giảm tổn thất.
- Điện dung tự nhiên của đường dây
Điện dung tự nhiên của đường dây có tác dụng giống như các thiết bị
bù, phát công suất phản kháng vào lưới. Tuy nhiên, công suất phản kháng do
điện dung tự nhiên của đường dây sinh ra vào đúng vị trí đường dây và phân

bố dọc theo vị trí chiều dài nên hiệu quả phụ thuộc chế độ truyền tải. Ở chế độ
không tải hoặc non tải dòng công suất điện dung của đường dây không được
tiêu thụ truyền về hai phía, đôi khi làm tăng thêm tổn thất.
Công suất phản kháng tổng do điện dung tự nhiên của đường dây sinh ra có
thể tính theo công thức:

2
BUQ
(1.2)
8


Trong đó:
B: dung dẫn tổng của đường dây chiều dài L: (B = ωC
0
.L)
U: điện áp trung bình làm việc của đường dây
Có thể nhận thấy rằng, lượng công suất phản kháng của đường dây sinh
ra tỉ lệ với bình phương điện áp làm việc. Do vậy, ở những cấp điện áp cao và
siêu cao (220; 500kV) thì lượng công suất do đường dây sinh ra này là rất lớn.
Trong chế độ non tải hoặc không tải, công suất điện dung đường dây có thể
làm tăng điện áp cuối đường dây quá trị số cho phép. Để khắc phục người ta
thường đặt kháng bù trên đường dây để giữ điện áp tại các nút nằm trong
phạm vi cho phép. Để tận dụng công suất này người ta thường bù không hoàn
toàn công suất điện dung tự nhiên của đường dây. Khi đó đường dây đóng vài
trò nguồn bù công suất phản kháng cho hệ thống.
1.1.3. Vấn đề áp dụng các biện pháp giảm thiểu tổn thất trong điều kiện
vận hành
Khi lưới điện đã được vận hành, do những điều kiện khác nhau về vốn
đầu tư khi xây dựng, về lịch sử phát triển và hình thành lưới, quá trình tăng

trưởng phụ tải tỉ lệ tổn thất rất khác nhau. Ngoài biện pháp cải tạo nâng cấp
tiết diện đường dây, máy biến áp, trang thiết bị (mà thường rất bị hạn chế) các
biện pháp phụ thêm để giảm tổn thất khi vận hành thường đem lại hiệu quả
đáng kể. Các biện pháp có thể kể đến như:
- Lắp đặt thiết bị bù và điều khiển thiết bị bù (nếu có điều kiện);
- Trang bị các bộ điều áp dưới tải và thiết bị tự động điều áp dưới tải;
- Tạo các mạch vòng cung cấp dạng lưới kín vận hành ở và điều khiển điểm
cắt
Biện pháp phổ biến và hiệu quả cao phải kể đến là bù kinh tế. Thực
chất đó là các lắp đặt thiết bị bù tối ưu theo chỉ tiêu theo hiệu quả kinh tế. Khi
lắp đặt thiết bị bù vào những vị trí hợp lí, chi phí cho tổn thất điện năng hàng
năm giảm được nhiều trong khi vốn đầu tư không lớn. Nếu 2 đến 3 năm vốn
9


Z
X
R
U
I
R
X
đầu tư đã được thu hồi thì việc đặt thiết bị bù được coi là có hiệu quả kinh tế.
Trong trường hợp này việc lựa chọn vị trí và dung lượng bù tỏ ra quan trọng.
Luận văn đi sâu tìm hiểu về biện áp bù tối ưu công suất phản kháng
trong LĐPP. Đánh giá hiệu quả bù trên lưới điện cụ thể dựa trên phương pháp
tính toán phù hợp nhất.
1.2. Hiệu quả giảm tổn thất bằng biện pháp bù CSPK
1.2.1. Khái niệm về CSPK
Một mạch điện có tải là điện trở R và điện kháng X được cung cấp bởi

điện áp: u = U
m
sin t như hình vẽ 1.1:




Hình 1.1. Mạch điện RL đơn giản
Hình 1.2. Tam giác tổng trở

Dòng điện i lệch pha với điện áp u một góc
i = I
m
sin( t - ) i = I
m
(sin t cos - sin cos t)
Đặt i = i’ + i’’ i’ = I
m
cos sin t
i’’ = I
m
sin cos t = - I
m
sin sin( t -
2
)
Như vậy dòng điện i là tổng của hai thành phần i’có biên độ là I
m
cos và
cùng pha với điện áp u và thành phần i’’ có biên độ là I

m
sin và chậm pha so
với điện áp một góc
2

Từ hai thành phần i’ và i’’ ta tính công suất tương ứng là:
P = UIcos gọi là công suất tác dụng
10


Q = UIsin gọi là công suất phản kháng
Theo tam giác tổng trở hình 1.2 ta có thể viết công thức công suất như
sau:
P = UIcos = (Z.I)( I.cos ) = Z.I
2
.
ZR
= RI
2

và Q = UIsin = (Z.I)( I.sin ) = Z.I
2
.
ZX
= XI
2

Vậy công suất phản kháng của một nhánh bất kỳ nói lên cường độ của quá
trình dao động năng lượng của nhánh đó.

22
QPS
- gọi là công suất biểu kiến
Ta có thể biểu diễn mối quan hệ giữa S, P và Q như ( hình 1.3) sau:







Hình 1.3. Tam giác công suất
Như vậy, các phần tử mang điện cảm hay điện dung trong mạng điện
liên quan đến công suất phản kháng. Ta có Q = I
2
X = I
2
(ωL-ωC) = Q
L
- Q
C
.
Chính vì thế người ta còn coi các phần tử có tính cảm (chứa từ trường) tiêu
thụ CSPK còn các phần tử có tính dung (chứa điện trường) tạo ra CSPK.
Công suất phản kháng được tiêu thụ ở động cơ không đồng bộ, máy
biến áp, trên đường dây điện và mọi nơi có từ trường. Yêu cầu công suất phản
kháng chỉ có thể giảm đến tối thiểu chứ không thể triệt tiêu được vì nó cần
thiết để tạo ra từ trường, yếu tố trung gian cần thiết trong quá trình chuyển
hoá điện năng. Yêu cầu công suất phản kháng được chia như sau [2]:
- Động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 70-80%

- Máy biến áp tiêu thụ 15-25%
S
Q
P U
U.I.cos
U.I.sin
11


IX
U
IR
I
- Đường dây điện và các phụ tải khác 5%
1.2.2 Hệ số công suất và quan hệ với bù CSPK
+ Hệ số công suất: Xét một phụ tải có tổng trở Z = R + jX được cung cấp
bởi điện áp U. Dòng điện chạy vào tải đó sẽ là
II
jX
U
R
U
Z
U
I
XR



, gồm

hai thành phần: thành phần tác dụng và thành phần phản kháng.
- Thành phần tác dụng I
R
cùng pha với điện áp
- Thành phần phản kháng I
X
trễ pha với điện áp là
2

- Góc giữa U và I là φ như hình vẽ 1.4







Hình 1.4. Giản đồ vecto dòng điện
Lấy góc pha điện áp bằng 0 ta có dòng điện:
XR
jIII

.
Công suât biểu kiến
I
ˆ
US

U( I
R

– jI
X
) = P - jQ
Như vậy công suất biểu kiến S có hai thành phần là: Thành phần thực P và
thành phần phản kháng Q. Mối quan hệ giữa S, P, Q thể hiện ở hình (1.3).
Từ hình (1-3) ta có tỷ lệ
S
P
cos φ. Hệ số cosφ gọi là hệ số công suất.
Ta có P = Scosφ , Q = S sinφ, tỉ số Q/P = sinφ/cosφ = tgφ. Vậy hệ số công
suất liên quan với tỉ lệ CSPK trong công suất tiêu thụ tổng hợp của phụ tải.
Phụ tải có cosφ càng thấp thể hiện nhu cầu tiêu thụ CSPK càng nhiều.
Khi phân tích chế độ hệ thống điện, phụ tải thường được hiểu là công
suất tiêu thụ tổng nhận từ nút thanh cái cung cấp (là công suất tiêu thụ của tập
12


hợp các thiết bị dùng điện nối vào thanh cái. Khi đó để giảm lượng CSPK
nhận từ nút người ta có thể đặt các tụ bù nối vào thanh cái (hiểu như một
thành phần phụ tải tổng hợp).
Giả sử ta có tải tiêu thụ ban đầu là S
1
= P
dm
+ jQ
dm
và lúc này hệ số công
suất là cosφ
1
=

1
S
P
dm
22
dmdm
dm
QP
P
. Giả sử ta lắp đặt thiết bị bù, bù một lượng
công suất phản kháng là Q
b
thì ta có S
2
= P
dm
+ j( Q
dm
- Q
b
) và hệ số công suất
cosφ
2
=
2
S
P
dm
2
2

bdmdm
dm
QQP
P
.
Ở đây ta dễ dàng nhận thấy là cos φ
2
> cos φ
1
, nói khác đi bù đặt tại thanh
cái phụ tải có thể nâng cao hệ số công suất tiêu thụ.
Hệ số công suất của phụ tải cũng có thể nâng cao bằng cách sử dụng các
động cơ tiêu thụ ít CSPK (dùng động cơ đồng bộ thay cho không đồng bộ)
hoặc dùng biến tần để điều chỉnh công suất khi tốc độ động cơ thay đổi
1.3 Các phƣơng tiện bù CSPK
1.3.1. Máy bù đồng bộ
Xét đường dây trên hình sau:









Các máy bù đồng bộ có thể làm việc cả ở chế độ quá kích thích và thiếu
kích thích. Khi quá kích thích các máy bù đồng bộ phát ra công suất phản
Hình 1.5.Đường dây truyền tải có đặt máy bù đồng bộ
X

R
2
S

2
U

MB

b
Q

1
U

1
2
~

13


kháng bằng công suất bù dao động: Q
bp
= Q
bdđ
. Trong chế độ thiếu kích thích
các máy bù tiêu thụ công suất phản kháng Q
bt
= 0,5Q

bdđ
, do đó phạm vi điều
chỉnh của máy bù đồng bộ rất rộng. Trong phạm vi điều chỉnh điện áp có thể
giữ được gần như không đổi.
- Ưu điểm:
+ Máy bù đồng bộ có thể điều chỉnh trơn (so với tụ điện chỉ có thể điều
chỉnh theo từng cấp).
+ Máy bù có thể phát ra hay tiêu thụ CSPK, tụ điện chỉ phát ra CSPK.
- Nhược điểm:
+ Có tổn thất bản thân tương đối lớn.
+ Thời gian vận hành, tuổi thọ ngắn, dễ hư hỏng (do liên tục chuyển
động quay).
1.3.2. Tụ bù tĩnh cố định
Đối với lưới điện trung áp giải bù công suất phản kháng ở mỗi cụm nhỏ
thường từ 300 KVAr đến 600 KVAr nên thường dùng tụ điện tĩnh để bù.

- Ưu điểm:
+ Chi phí tính theo một VAr của tụ điện rẻ hơn máy bù đồng bộ, ưu điểm
này càng nổi bật khi dung lượng càng tăng.
+ Tổn thất công suất tác dụng trong tụ điện rất nhỏ, khoảng 0,1 đến 0,05
W/kVAr tùy theo công suất định mức của máy.
+ Tụ điện lắp đặt đơn giản, có thể phân ra nhiều cụm để lắp rải trên lưới
phân phối, hiệu quả là cải thiện tốt hơn đường cong phân bố điện áp. Không
cần người trông nom, vận hành. Việc bảo dưỡng sửa chữa đơn giản.
- Nhược điểm:
+ Công suất phản kháng phát ra phụ thuộc điện áp thanh cái (tỉ lệ với bình
phương điện áp) do đó lúc điện áp giảm thấp rất cần tăng bù thì công suất lại
giảm mạnh.
14

+ Với dung lượng cố định tụ bù tĩnh không có khả năng diều chỉnh (chỉ có
thể đóng cắt.
1.3.3. Tụ bù tĩnh điều chỉnh theo chế độ làm việc
Hiện nay các tụ bù có thể được chế tạo với nhiều nấc công suất có thể
điều chỉnh tự động dung lượng (nhảy cấp). Tụ bù loại này điều chỉnh được
dung lượng bù cho từng chế độ vận hành khác nhau, nghĩa là các thiết bị bù
có thể thay đổi được theo khả năng làm việc theo yêu cầu của từng thời điểm
khác nhau của tải, có thể điều chỉnh được công suất. Bù công suất phản kháng
theo phương pháp này thì khả năng đáp ứng được nhu cầu công suất phản
kháng của tải ở mọi chế độ làm việc khác nhau, nhưng nó có suất đầu tư rất
cao và có thể sảy ra sự cố.

Hiện nay, lưới phân phối điện vận hành có hệ số P
min
/P
max
rất thấp
chính vì vậy mà cần phải kết hợp cả bù cố định và bù điều chỉnh. Một bộ phận
tính toán để bù một lương cố định tối thiểu cho mọi chế độ vận hành. Bộ phận
bù điều chỉnh được thì nối với thiết bị điều khiển để thay đổi được dung
lượng bù, nhằm đáp ứng CSPK cho các chế độ khác nhau của lưới.
Tuy nhiên do chỉ thay đổi được dung lượng theo từng nấc công suất
nên khả năng đáp ứng điều chỉnh bị hạn chế, không tối ưu khi phạm vi thay
đổi phụ tải lớn. Để khắc phụ nhược điểm này ngườii ta tạo ra SVC ( Static
Var Compensater), thực chất là thiết bị bù ngang nhưng có khả năng điều
chỉnh trơn (như máy bù đồng bộ) tốc độ điều chỉnh rất nhanh. Tuy nhiên giá
thành SVC lại rất cao nên thường dùng để bù kỹ thuật (trong LĐTT), dùng
trong LĐPP không đem lại hiệu quả kinh tế.
1.3.4.

Khi cho dòng một chiều vào rôto của động cơ không đồng bộ dây quấn,
động cơ sẽ làm việc như một động cơ đồng bộ với dòng điện vượt trước điện
áp. Do đó nó có khả năng sinh ra CSPK cung cấp cho mạng. Trong trường
hợp này đông cơ có khả năng điều chỉnh CSPK giống như máy bù đồng bộ.
15


Nhược điểm của loại động cơ này là tổn thất công suất khá lớn (0,02 – 0,08)
kW/kVAr, khả năng quá tải kém. Vì vậy động cơ này chỉ được phép làm việc
với 75% công suất định mức.
Vì những nhược điểm trên, nên động cơ này chỉ được dùng khi không
có sẵn các thiết bị bù khác.
1.4 Tổng quan về mô hình và phƣơng pháp bù kinh tế trong
LĐPP
Trước hết cần phân biệt bài toán bù CSPK trong lưới điện truyền tải
(LĐTT) và LĐPP. Với LĐTT bài toán bù thường được đặt ra hơn đó là bù
nhằm đảm bảo điện áp nút, bù nhằm nâng cao giới hạn ổn định, còn được gọi
là bù kĩ thuật. Bài toán bù kinh tế ít được đặt ra trong LĐTT hoặc chỉ được
đặt ra như một khả năng kết hợp với bù kỹ thuật. Vấn đề là ở chỗ tỉ lệ tổn thất
trong LĐTT tương đối thấp (2-4)% lại có rất nhiều nguồn CSPK (máy phát,
các đường dây cao áp với CSPK tự nhiên).
Ngược lại trong LĐPP tỉ lệ tổn thất khá cao (>5%), có khi tới hàng
chục phần trăm như một số khu vực lưới điện Việt Nam. Lưới hình tia xa
nguồn, nhận CSPK từ LĐTT qua trạm trung gian thường rất hạn chế. Công
suất điện dung tự nhiên do các đường dây trung áp sinh ra không đáng kể.
Trong trường hợp này bù CSPK làm giảm đáng kể tổn thất do không phải
truyền tải CSPK qua lưới. Vấn đề là vị trí đặt bù có hiệu quả rất khác nhau
nên bài toán tìm vị trí và dung lượng bù tối ưu có ý nghĩa lớn. Các bài toán
được đặt ra theo một số dạng khác nhau.
1.4.1. Bài toán bù kinh tế áp dụng thuật toán quy hoạch toán học cực đại

hóa lợi nhuận trong khoảng thời gian tính toán định trƣớc
Về lí thuyết, bài toán bù kinh tế cần được thiết lập theo hàm mục tiêu
(HMT) là lợi ích thu được khi đặt bù (bao gồm tổng lợi thu được trừ đi các
chi phí do đặt bù) xét đến hiệu quả tác động của dòng tiền tệ, qui về hiện tại
(NPV). Trong trường hợp chung HMT có thể bao gồm các thành phần sau:
16


a. Thành phần lợi ích Z
1
thu đƣợc do giảm tổn thất điện năng hàng năm
sau khi đặt thiết bị bù
Thành phần này kể đến hiệu quả giảm tổn thất trên các nhánh đường
dây của LĐPP và tổn thất trong máy biến áp phân phối do hiệu quả của các
thiết bị bù đem lại:
Z
1
= ∆C = C - C
0

Trong đó C
0
là tổng chi phí tổn thất ban đầu, còn C là tổng chi phi tổn
thất xét đến các phương án đặt thiết bị bù. Cần thiết phân biệt tổn thất trên các
nhánh đường dây và trong các máy biến áp do thời gian tổn thất khác nhau
(thành phần tổn thất không tải của MBA tồn tại suốt thời gian vận hành).
Ngoài ra, theo thời gian hàm tổn thất C (phụ thuộc dung lượng bù) còn bị thay
đổi (do dung lượng bù đặt thêm) nên Z
1
cần được tính theo tổng tổn thất điện

năng trong suốt thời gian tính toán.
b. Thành phần chi phí do đầu tƣ lắp đặt thiết bị bù Z
2

Thành phần này bao gồm tổng vốn đầu tư mua thiết bị bù (tỉ lệ với
dung lượng bù Q
bj
) trong suốt khoảng thời gian tính toán, có kể đến chi phí
không đổi V
0
(cho mặt bằng, xây dựng, lắp đặt ):

t
t j
jt
bjj0j02
Ne.QCKVZ

Trong đó:
K
0j
là suất đầu tư tụ bù j [đ/kVAr]. Trị số K
0
phụ thuộc cấp điện áp và
loại thiết bị bù (cố định hay điều chỉnh ).
C
j
là suất chi phí bảo trì hàng năm của tụ bù tại nút j [đ/kVAr.năm], chi
phí này có thể lấy gần đúng (mỗi năm khoảng 3% nguyên giá tài sản cố định
của trạm bù) ;

Thành phần V
0j
phụ thuộc điều kiện cụ thể của trạm, thường có trị số
nhỏ có thể bỏ qua.