Đánh giá hiệu quả bù kinh tế trong lưới điện phân phối xét đến khả năng điều chỉnh dung lượng bù, ứng dụng tính toán cho lưới điện chi nhánh điện gia bình, bắc ninh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

PHAN VĂN THẠCH

ðÁNH GIÁ HIỆU QUẢ BÙ KINH TẾ TRONG LƯỚI ðIỆN PHÂN
PHỐI XÉT ðẾN KHẢ NĂNG ðIỀU CHỈNH DUNG LƯỢNG BÙ, ỨNG
DỤNG TÍNH TOÁN CHO LƯỚI ðIỆN CHI NHÁNH ðIỆN
GIA BÌNH - BẮC NINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành : ðiện khí hóa sản xuất nông nghiệp và nông thôn
Mã số

: 60.52.54

Người hướng dẫn khoa học: GS. TS LÃ VĂN ÚT

HÀ NỘI - 2012


LỜI CAM ðOAN
Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa ñược ai công bố.
Hà Nội, tháng 10 năm 2012
Tác giả luận văn
Phan Văn Thạch

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

i


LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian thực hiện luận văn, ñến nay ñề tài “ðánh giá hiệu
quả bù kinh tế trong lưới ñiện phân phối xét ñến khả năng ñiều chỉnh
dung lượng bù, ứng dụng tính toán cho lưới ñiện chi nhánh Gia Bình Bắc Ninh” ñã ñược hoàn thành. Trong thời gian thực hiện ñề tài, Tôi ñã nhận
ñược rất nhiều sự giúp ñỡ quý báu của các cá nhân, tập thể trong và ngoài
trường.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến thầy giáo hướng dẫn GS.Ts. Lã Văn
Út về sự quan tâm, giúp ñỡ tôi rất tận tình trong phương pháp và các nội dung
của luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới cán bộ và các thầy, cô giáo Trường TCN
KT-KT Bắc Ninh; Các giảng viên bộ môn Cung cấp và Sử dụng ñiện Khoa
Cơ ðiện – Trường ðại học Nông Nghiệp – Hà Nội; Các cán bộ chi nhánh
ñiện lực Gia Bình - Bắc Ninh, ñã giúp ñỡ và tạo ñiều kiện thuận lợi cho tôi
trong quá trình học tập, công tác, nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia ñình, bạn bè ñã ñộng viên và
giúp ñỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Tác giả

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ðOAN ..................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN ...........................................................................................II

MỤC LỤC ................................................................................................ III
DANH MỤC BẢNG BIỂU...................................................................... VII
DANH MỤC HÌNH VẼ...........................................................................VIII
DANH MỤC CÁC CHỮ ViÕt TẮT VÀ KÝ HIỆU ...............................X
MỞ ðẦU.................................................................................................... 1
1. Mục ñích nghiên cứu và lý do chọn ñề tài................................. 1
2. ðối tượng nghiên cứu và phạm vi áp dụng ............................... 1
3. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của ñề tài........................... 1
NỘI DUNG ðỀ TÀI.................................................................................. 3

Chương 1: BÙ KINH TẾ TRONG LƯỚI ðIỆN PHÂN PHỐI VÀ VẤN
ðỀ ÁP DỤNG KỸ THUẬT ðiÒu KHIỂN DUNG LƯỢNG BÙ KHI
PHỤ TẢI BIẾN THIÊN............................................................................ 3

1.1 Tổn thất ñiện năng trong hệ thống ñiện và vấn ñề giảm tổn
thất khi vận hành .......................................................................... 3
1.1.1 Các nguyên nhân gây ra tổn thất trong hệ thống cung cấp ñiện
.................................................................................................................... 3
1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng ñến tổn thất và khả năng giảm thiểu tổn
thất.............................................................................................................. 5
1.1.3 Vấn ñề áp dụng các biện pháp giảm thiểu tổn thất trong ñiều
kiện vận hành............................................................................................. 7

1.2 Hiệu quả giảm tổn thất bằng biện pháp bù công suất phản
kháng .............................................................................................. 8
1.2.1 Khái niệm về công suất phản kháng ....................................... 8
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

iii

1.2.2 Hệ số công suất và khả năng ñiều chỉnh................................ 10
1.2.3 Hiệu quả giảm tổn thất bằng biện pháp bù công suất phản
kháng ....................................................................................................... 11

1.3 Các phương tiện bù công suất phản kháng ......................... 12
1.3.1 Mục tiêu và lợi ích bù công suất phản kháng ......................... 12
1.3.2 Các phương tiện bù công suất phản kháng.............................. 13

1.4 Tổng quan về mô hình và phương pháp bù kinh tế trong
lưới ñiện phân phối ...................................................................... 17
1.4.1 Bài toán bù kinh tế với hàm mục tiêu tối ưu hàm lợi nhuận .. 17
1.4.2 Bài toán bù kinh tế với hàm mục tiêu cực tiểu hàm chi phí tính
toán............................................................................................................ 20
1.4.3 Bài toán bù kinh tế theo thời gian thu hồi vốn ñịnh mức ....... 21

1.5 ðiều khiển dung lượng bù theo thời gian thực.................... 22
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ......................................................................... 23

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN LỰA CHỌN VỊ TRÍ
VÀ DUNG LƯỢNG BÙ TỐI ƯU ............................................... 24
2.1 ðặt vấn ñề................................................................................ 24
2.2 Suất giảm chi phí tổn thất của thiết bị bù trong lưới phân
phối ................................................................................................ 25
2.3 Bù tối ưu công suất phản kháng trong lưới phân phối....... 30
2.3.1. ðánh giá hiệu quả bù tại các nút của lưới ñiện phân phối... 30
2.3.2. Xác ñịnh dung lượng bù tại các nút, ñảm bảo thời gian thu hồi
vốn ñầu tư xấp xỉ thời hạn Tth ñm ............................................................. 31
2.3.3. Xác ñịnh dung lượng bù tối ưu cho một số ít nút ñã chọn.... 36
2.3.4 Ưu ñiểm của thuật toán ñề xuất ............................................. 37

2.4 ðiều khiển tối ưu dung lượng bù theo dòng phụ tải........... 37
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

iv


2.5 Giới thiệu một số chương trình tính toán chế ñộ xác lập, có
thể kết hợp tính toán lựa chọn vị trí và dung lường bù............ 42
2.5.1 Phần mềm CONUS ................................................................ 42
2.5.2 Phần mềm PSS/E................................................................... 43
2.5.3 Phần mềm PSS/ADEPT......................................................... 44
2.5.4 Phần mềm POWER WORLD ................................................ 45
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ......................................................................... 46

Chương 3: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ðIỆN PHÂN PHỐI CHI
NHÁNH ðIỆN GIA BÌNH VÀ XÁC ðỊNH VỊ TRÍ VÀ DUNG
LƯỢNG BÙ TỐI ƯU .................................................................. 48
3.1 ðặc ñiểm tự nhiên, kinh tế- xã hội..................................................... 48
3.1.1 ðặc ñiêm tự nhiên................................................................... 48
3.1.2 ðặc ñiểm kinh tế- xã hội.......................................................... 48
3.2 ðặc ñiểm lưới ñiện phân phối và sự tiêu thụ công suất phản kháng .
................................................................................................................... 49
3.2.1 Vai trò của lưới ñiện phân phối.............................................. 49
3.2.2 Sự tiêu thụ và các nguồn phát công suất phản kháng ............ 50
3.3 Hiện trạng nguồn và lưới ñiện chi nhánh ñiện Gia Bình.................. 52
3.3.1 Lưới ñiện trung áp .................................................................. 52
3.3.2 Lưới ñiện hạ áp........................................................................ 52

3.4 Tính toán tổn thất và lựa chọn dung lượng, vị trí bù cho lưới

ñiện Gia Bình ................................................................................ 54
3.4.1 Nhập số liệu........................................................................... 54
3.4.2 Kết quả tính toán chế ñộ xác lập ban ñầu ............................. 58
3.4.3 ðánh giá hiệu quả bù thông qua suất giảm chi phí tổn thất...
................................................................................................................... 64
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

v


3.4.4 Xác ñịnh dung lượng bù tối ưu cho lưới................................ 67
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ......................................................................... 69
KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ ................................................. 70

IV. Tài liệu tham khảo ................................................................. 71

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

vi


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng số

Tên bảng

Trang

Bảng 3.1

Số liệu phụ tải

54

Bảng 3.2

Số liệu nhánh

55

Bảng 3.3

Số liệu máy biến áp

56

Bảng 3.4

ðiện áp các nút trung áp khi thanh cái lưới trung áp

58

ñặt là 10kV
Bảng 3.5

ðiện áp các nút hạ áp khi thanh cái trạm ñầu nguồn

62

10 kV

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

vii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình số

Tên hình

Trang

Hình 1-1

Mạch ñiện RL ñơn giản

8

Hình 1-2

Tam giác tổng trở

8

Hình 1-3

Tam giác công suất

9

Hình 1-4

Giản ñồ vectơ dòng ñiện

10

Hình 1-5

ðường dây truyền tải

13

Hình 2-1

Sơ ñồ lưới ñiện ñơn giản

25

Hình 2-2

Quan hệ HMT

27

Hình 2-3

Lưới hình tia phức tạp

27

Hình 2-4

Hàm lợi ích và dung lượng bù kinh tế

33

Sơ ñồ thuật toán xác ñịnh dung lượng bù tại các nút theo
Hình 2-5

thời gian thu hồi vốn ñầu tư nhỏ hơn thời gian thu hồi

35

vốn cho trước
Hình 2-6

Sơ ñồ lưới ñiện ñơn giản

37

Hình 2-7

Vị trí thay ñổi nấc bù tối ưu

38

Hình 2-8

Lưới hình tia phức tạp

39

Hình 2-9

ðiều khiển dung lượng bù theo biểu ñồ

42

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

viii


Hình 3-1

Sơ ñồ lưới ñiện lộ 971

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

53

ix


DANH MỤC CÁC CHỮ ViÕt T¾t VÀ KÝ HIỆU

LðPP

Lưới ñiện phân phối

TBB

Thiết bị bù

CSPK

Công suất phản kháng

HTCCð

Hệ thống cung cấp ñiện

HTð

Hệ thống ñiện

LðTT

Lưới ñiện truyền tải

HMT

Hàm mục tiêu

MBA

Máy biến áp

ðKPTBS

ðiều khiển phụ tải bằng sóng

LPP

Lưới phân phối

CðXL

Chế ñộ xác lập

ðDSCA

ðường dây siêu cao áp

ðHBK

ðại học bách khoa

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

x


MỞ ðẦU
1. MỤC ðÍCH NGHIÊN CỨU VÀ LÝ DO CHỌN ðỀ TÀI
Lưới ñiện phân phối (LðPP) có tỉ lệ tổn thất khá cao so với lưới
truyền tải, phân bố rộng khắp các khu vực lãnh thổ. Việc lắp ñặt thiết bị bù
(TBB) làm giảm tổn thất trong LðPP thường ñem lại hiệu quả kinh tế cao,
ñồng thời còn cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật. Tuy nhiên, hiệu quả chỉ có thể có

ñược khi chọn ñúng vị trí ñặt và dung lượng bù. Ngoài ra, do phụ tải thường
xuyên thay ñổi theo biểu ñồ nên việc lựa chọn các phương tiện bù có khả
năng ñiều chỉnh cũng nâng cao thêm hiệu quả. ðề tài nghiên cứu phương
pháp tính toán, xác ñịnh các chỉ tiêu cho phép ñánh giá hiệu quả nếu lắp ñặt
thiết bị bù vào các vị trí khác nhau trong LðPP. Nghiên cứu thuật toán ñiều
khiển dung lượng bù (nếu TBB có khả năng) ñể nâng cao hiệu quả khi phụ tải
thay ñổi.
2. ðỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG
2.1. ðối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu LðPP có sơ ñồ phức tạp bất kỳ (hình tia, lưới kín vận hành
hở).
2.2. Phạm vi áp dụng
Kết quả nghiên cứu nhằm áp dụng vào thực tế các LðPP của Việt Nam.
2.3. Áp dụng cụ thể
Tính toán với lưới ñiện thuộc chi nhánh ñiện lực Gia Bình.
3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ðỀ TÀI
3.1. Ý nghĩa khoa học của ñề tài
- Hệ thống hóa lý thuyết bù CSPK, nghiên cứu phương pháp lựa chọn
vị trí và dung lượng bù kinh tế trong LðPP.
- Nghiên cứu, khai thác phần mềm Conus ñể tính toán tổn thất và xác
ñịnh dung lượng bù tối ưu.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

1


- Nghiên cứu ứng dụng ñiều khiển dung lượng bù bằng sóng
3.2. Tính thực tiễn của ñề tài
Các kết quả nghiên cứu trong ñề tài có tính ứng dụng cao ñối với việc
lựa chọn ñúng vị trí lắp ñặt, xác ñịnh và ñiều khiển dung lượng bù tối ưu bằng

sóng VIBA cho LðPP ñiện áp Việt Nam nói chung và LðPP chi nhánh ñiện
Gia Bình - Bắc Ninh nói riêng.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

2


NỘI DUNG ðỀ TÀI
Chương 1
BÙ KINH TẾ TRONG LƯỚI ðIỆN PHÂN PHỐI VÀ VẤN ðỀ
ÁP DỤNG KỸ THUẬT ðIỀU KHIỂN DUNG LƯỢNG BÙ KHI
PHỤ TẢI BIẾN THIÊN
1.1 Tổn thất ñiện năng trong hệ thống ñiện và vấn ñề giảm tổn
thất khi vận hành
1.1.1 Các nguyên nhân gây ra tổn thất trong hệ thống cung cấp ñiện
Tổn thất ñiện năng trong hệ thống ñiện 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 ñiện, tổn thất vầng quang trên các
ñường dây truyền tải ñiện, tổn thất do sai số trong hệ thống ño ñếm, tổn thất
do gian lận sử dụng v.v… Những nguyên nhân này có thể ñược 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 ñiện. Nó phản ảnh hiệu suất của hệ thống trong quá trình sản
xuất, truyền tải và phân phối ñiện năng tới nơi tiêu thụ. Các thành phần chính
của tổn thất kỹ thuật bao gồm
- Tổn thất trên ñiện trở của mọi phần tử có dòng ñiện chạy qua
Tổn thất trên ñiện trở của phần tử tỉ lệ với bình phương của dòng ñiện
chạy qua phần tử ñó theo biểu thức P = I 2 .R . Tuy nhiên cũng cần phải xét

ñến mối quan hệ giữa nhiệt ñộ và ñiện trở của phần tử bởi vì khi dòng ñiện
tăng lên thì nhiệt ñộ của thiết bị cũng tăng.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

3


- Các tổn thất không tải do phần tử mang ñiện áp
Tổn thất không tải xuất hiện trong các phần tử có chứa mạch từ như
máy biến áp, ñộng cơ, ñiện kháng, nam châm ñiện, các thiết bị bù. Dạng tổn
thất này thường tỷ lệ xấp xỉ với bình phương của ñiện áp và bao gồm các
thành phần như tổn thất do hiện tượng từ trễ, tổn thất do dòng ñiện foucault
và tổn thất do hỗ cảm giữa các phần tử.
- Tổn thất vầng quang
Tổn thất vầng quang xuất hiện trên các ñường dây truyền tải ñiện do
mất mát năng lượng vào việc ion hóa không khí xung quanh ñường dây.
Tổn thất kỹ thuật có thể ñược phân loại theo cấp ñiện áp.
- Tổn thất ở lưới truyền tải:
+ Tổn thất trên các ñường 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 ñiện năng sử dụng và lượng
ñiện năng ñược tính tiền. Sự chênh lệch này là do sai số của thiết bị ño ñếm
như công tơ, máy biến dòng, do những phụ tải không ñược tính tiền hoặc do
trộm cắp, gian lận thương mại. Tổn thất phi kỹ thuật phản ánh hiệu quả quản

lý ñiện 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 ño ñếm
Các thiết bị ño ñếm bao gồm các máy biến dòng ñiện, máy biến ñiện
áp, wattmet, công tơ, các thiết bị hiển thị cơ và số. Tổn thất ñiện năng có thể
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

4


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 ño ñếm ñược sử dụng trong HTð là
rất nhiều.
- Tổn thất do lỗi trong việc tính toán hóa ñơn ñiện năng tiêu thụ
- Tổn thất do gian lận, ăn trộm ñiện của người sử dụng
Bên cạnh các nguyên nhân gây ra tổn thất, cũng phải xét ñến cả các yếu
tố ảnh hưởng ñến tổn thất. Các yếu tố này không trực tiếp gây nên tổn thất
nhưng lại ảnh hưởng nhiều ñến trị số của tổn thất.

1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng ñến tổn thất và khả năng giảm thiểu tổn thất
a. ðiện áp làm việc của trang thiết bị
Làm việc với ñiện áp càng cao, dòng ñiện càng bé, vì thế chọn cấp ñiện
áp khi thiết kế (ñường dây, máy biến áp) và ñiều chỉnh ñiện áp lúc vận hành
ñều có ảnh hưởng mạnh ñến trị số tổn thất công suất và ñiện năng.
- Nâng cấp ñiện áp ñịnh mức của lưới ñiện.
Là biện pháp giảm tổn thất rất ñáng kể bởi trị số tổn thất tỉ lệ nghịch
với bình phương của ñiện áp ñịnh mức:
P2 + Q2
R
∆P = 3RI =

U2
2

(1.1)

Tuy nhiên nâng cấp ñiện áp lại liên quan với việc cần tăng vốn ñầu tư cho
cách ñiện và kết cấu lưới, cần so sánh lựa chọn theo chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật.
- ðiều chỉnh ñiện áp tại máy biến áp
Các máy biến áp trong HTð hầu hết ñều có khả năng ñiều chỉnh ñiện áp
bằng cách thay ñổi ñầu phân áp. Việc thay ñổi ñầu phân áp cho phép lựa chọn
ñiện áp làm việc tối ưu cho ñường dây tải ñiện (ở mức cao giới hạn trong mọi
chế ñộ tải) nhờ ñó giảm ñược tổn thất. Ngoài ra, thay ñổi ñầu phân áp còn làm
thay ñổi sự phân bố công suất phản kháng trong lưới, nếu có phương pháp

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

5


ñiều khiển tối ưu cũng có thể giảm ñược trị số tổn thất xuống ñến mức thấp
nhất.
b. Truyền tải công suất phản kháng
Cân bằng công suất phản kháng nút là ñiều kiện cần ñể ñảm bảo chất
lượng ñiện năng. Mất cân bằng công suất phản kháng ñiện áp nút sẽ thay ñổi.
Trong HTð luôn luôn tồn tại quá trình truyền tải công suất phản kháng (kèm
theo với công suất tác dụng), dòng ñiện tăng lên, làm tăng cao trị số tổn thất
công suất tác dụng (công thức 1.1). Giảm công suất phản kháng truyền tải là
biện pháp chủ yếu khi áp dụng các biện pháp giảm thiểu tổn thất.
- Ảnh hưởng của các thiết bị bù
Các thiết bị bù công suất phản kháng thường ñược ñặt ở phụ tải. Các

thiết bị này có tác dụng phát công suất phản kháng vào ñường dây, giảm
lượng công suất phản kháng chạy trên ñường dây nhằm cải thiện ñiện áp làm
việc của phụ tải, tăng hệ số công suất và giảm tổn thất trên ñường dây.
- ðiện dung tự nhiên của ñường dây
ðiện dung tự nhiên của ñường dây có tác dụng giống như các thiết bị
bù, phát công suất phản kháng vào lưới, làm giảm ñược dòng công suất phản
kháng chạy trên lưới dẫn tới giảm tổn thất trên ñường dây.
Công suất phản kháng do ñiện dung tự nhiên của ñường dây sinh ra:

Q = BU 2

(1.2)

Trong ñó:
B: ñiện dẫn phản kháng của ñường dây ( B = ωC )
U: ñiện áp làm việc của ñường dây
Có thể nhận thấy rằng, lượng công suất phản kháng của ñường dây sinh
ra tỉ lệ với bình phương ñiện áp làm việc. Do vậy, ở những cấp ñiện áp cao và
siêu cao (220; 500kV) thì lượng công suất do ñường dây sinh ra này là rất lớn,
trong chế ñộ non tải hoặc không tải thì ñiện áp cuối ñường dây có thể tăng
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

6


quá trị số cho phép, vì vậy ñối với các cấp ñiện áp trên thì người ta thường ñặt
kháng bù trên ñường dây ñể giữ ñiện áp tại các nút nằm trong phạm vi cho
phép. ðể tận dụng công suất này người ta thường bù không hoàn toàn công
suất ñiện dung tự nhiên của ñường dây. Khi ñó ñường dây ñóng vài trò nguồn
bù công suất phản kháng cho hệ thống.

1.1.3 Vấn ñề áp dụng các biện pháp giảm thiểu tổn thất trong ñiều kiện vận
hành
Khi lưới ñiện ñã ñược vận hành, do những ñiều kiện khác nhau về vốn
ñầu 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 ñường dây, máy biến áp, trang thiết bị (mà thường rất bị hạn chế) các
biện pháp phụ thêm ñể giảm tổn thất khi vận hành thường ñem lại hiệu quả
ñáng kể. Các biện pháp có thể kể ñến như:
- Lắp ñặt thiết bị bù và ñiều khiển thiết bị bù (nếu có ñiều kiện);
- Trang bị các bộ ñiều áp dưới tải và thiết bị tự ñộng ñiều áp dưới tải;
- Tạo các mạch vòng cung cấp dạng lưới kín vận hành ở và ñiều kiển ñiểm cắt
...
Biện pháp phổ biến và hiệu quả cao phải kể ñến là bù kinh tế. Thực
chất ñó là các lắp ñặt thiết bị bù tối ưu theo chỉ tiêu theo hiệu quả kinh tế. Khi
lắp ñặt thiết bị bù vào những vị trí hợp lí, chi phí cho tổn thất ñiện năng hàng
năm giảm ñược nhiều trong khi vốn ñầu tư không lớn. Nếu 2 ñến 3 năm vốn
ñầu tư ñã ñược thu hồi thì việc ñặt thiết bị bù ñược coi là có hiệu quả. Trong
trường hợp này việc lựa chọn vị trí và dung lượng bù tỏ ra quan trọng.
Bên cạnh việc ñặt các tụ bù cố ñịnh các biện pháp bù có ñiều kiển ñang
ñược quan tâm nhiều. Vấn ñề là ở chỗ bù có ñiều kiển có hiệu quả cao trong
khi kĩ thuật ñiều khiển ngày càng phát triển.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

7


Luận văn ñi sâu tìm hiểu về biện áp bù tối ưu công suất phản kháng
trong LðPP. Khả năng ñiều khiển on-line dung lượng bù nhằm ñạt hiệu quả

cao trong vận hành theo mục tiêu giảm tổn thất ñiện năng cho lưới.

1.2 Hiệu quả giảm tổn thất bằng biện pháp bù công suất phản
kháng
1.2.1 Khái niệm về công suất phản kháng
Một mạch ñiện có tải là ñiện trở R và ñiện kháng X ñược cung cấp bởi
ñiện áp: u = Umsinωt như hình vẽ 1-1:

Z
ϕ

Hình 1-1 Mạch ñiện RL ñơn giản

X
R

Hình 1-2: Tam giác tổng trở

Dòng ñiện i lệch pha với ñiện áp u một góc ϕ
i = Imsin(ωt - ϕ) ⇔ i = Im(sinωt cosϕ - sinϕ cosωt)
ðặt i = i’ + i’’ ⇒ i’ = Im cosϕ sinωt
i’’ = Im sinϕ cosωt = - Im sinϕ sin(ωt -

π
2

)

Như vậy dòng ñiện i là tổng của hai thành phần i’có biên ñộ là Im cosϕ và
cùng pha với ñiện áp u và thành phần i’’ có biên ñộ là Im sinϕ và chậm pha so

với ñiện áp một góc

π
2

Từ hai thành phần i’ và i’’ ta tính công suất tương ứng là:
P = UIcosϕ gọi là công suất tác dụng
Q = UIsinϕ gọi là công suất phản kháng
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

8


Theo tam giác tổng trở hình 1-2 ta có thể viết công thức công suất như
sau:
P = UIcosϕ = (Z.I)( I.cosϕ) = Z.I2. R Z = RI2
và

Q = UIsinϕ = (Z.I)( I.sinϕ) = Z.I2. X Z = XI2

Vậy công suất phản kháng của một nhánh bất kỳ nói lên cường ñộ của quá
trình dao ñộng năng lượng của nhánh ñó.
S = P + Q gọi là công suất biểu kiến
Ta có thể biểu diễn mối quan hệ giữa S, P và Q như ( hình 1-3) sau:
U.Icosϕ P

U

ϕ

U.Isinϕ

S

Q

Hình 1-3: Tam giác công suất
Các thành phần mang ñiện kháng hay ñiện dung trong mạng ñiện sẽ sử
dụng công suất phản kháng.
Công suất phản kháng ñược tiêu thụ ở ñộng cơ không ñồng bộ, máy
biến áp, trên ñường dây ñiện và mọi nơi có từ trường. Yêu cầu công suất phản
kháng chỉ có thể giảm ñến tối thiểu chứ không thể triệt tiêu ñược vì nó cần
thiết ñể tạo ra từ trường, yếu tố trung gian cần thiết trong quá trình chuyển
hoá ñiện năng. Theo [2, tập 1, tr 283] yêu cầu công suất phản kháng ñược chia
như sau:
- ðộng cơ không ñồng bộ tiêu thụ khoảng 70-80%
- Máy biến áp tiêu thụ 15-25%
- ðường dây ñiện và các phụ tải khác 5%

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

9


1.2.2 Hệ số công suất và khả năng ñiều chỉnh
+ Hệ số công suất: Xét một phụ tải có tổng trở Z = R + jX ñược cung cấp
bởi ñiện áp U. Dòng ñiện chạy trên tải ñó sẽ là I =

U
1

1
U U
=
=U( +
)= +
Z
R jX
R jX

U(G + jB) = IR + jIX. Dòng ñiện gồm hai thành phần: Thành phần tác dụng và
thành phần phản kháng.
- Thành phần tác dụng IR cùng pha với ñiện áp
- Thành phần phản kháng IX trễ pha với ñiện áp là

Π
2

- Góc giữa U và I là φ như hình vẽ 1-4
U

IR
φ

IX

I

Hình 1-4: Giản ñồ vectơ dòng ñiện
Công suât biểu kiến S = UI* = U( IR – jIX ) = 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 vẽ 1- 3.
Từ hình vẽ 1-3 ta có tỷ lệ

P
= cos φ. Hệ số cosφ gọi là hệ số công suất.
S

Vậy hệ số công suất là hệ số biểu thị sự chuyển ñổi công suất từ dạng này
sang dạng khác.
+ ðiều chỉnh hệ số công suất:

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

10


Giả sử ta có tải tiêu thụ ban ñầu là S1 = Pdm + jQdm và lúc này hệ số công
suất là cosφ1 =

Pdm
=
S1

Pdm
2
P + Qdm
2
dm

. Giả sử ta lắp ñặt thiết bị bù, bù một lượng

công suất phản kháng là Qb thì ta có S2 = Pdm + j( Qdm - Qb) và hệ số công suất
cosφ2 =

Pdm
=
S2

Pdm
P + (Qdm − Qb )
2
dm

2

.

Ở ñây ta dễ dàng nhận thấy là cos φ2 > cos φ1
Vậy ñiều chỉnh hệ số công suất thực chất là dùng thiết bị cung cấp một
công suất phản kháng tương ứng và ñối nghịch lại với công suất phản kháng
ñược tạo ra của thiết bị trả về lưới.

1.2.3 Hiệu quả giảm tổn thất bằng biện pháp bù công suất phản kháng
Khi CSPK ñược cung cấp từ các nhà máy ñiện, mỗi phần tử hệ thống:
máy phát, máy biến ñiện áp ñường dây, thiết bị bảo vệ ... phải gia tăng dung
lượng công suất truyền tải. Bù CSPK có thể làm giảm nhẹ các ñiều kiện này
bằng cách giảm nhu cầu CSPK từ nó cho các máy phát. Các dòng ñiện ñược
giảm nhẹ từ vị trí lắp ñặt bù ñến các máy phát. Kết quả là giảm tổn thất công
suất, giảm tổn thất ñiện áp trên ñường dây và trạm biến áp[2], [6]
Lợi ích có thể ñạt ñược do việc bù CSPK là:

- Giảm công suất phát tại các nhà máy
- Giảm công suất truyền tải
- Giảm dung lượng các trạm biến áp
- Giảm ñược công suất tác dụng yêu cầu ở chế ñộ cực ñại của hệ thông
ñiện (do giảm ∆P), vì vậy giảm ñược dự trữ công suất tác dụng của hệ thống
ñiện.
- Cải thiện hệ số công suất
- Giảm tổn thất ñiện năng ( tổn thất ñồng)
- Giảm ñộ sụt áp và cải thiện việc ñiều chỉnh ñiện áp
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

11


- Giảm công suất trên các xuất tuyến và các phần tử liên quan
- Trì hoãn hoặc giảm bớt chi phí mở rộng nâng cấp lưới ñiện
- Tăng doanh thu do việc cải thiện ñiện áp

1.3 Các phương tiện bù công suất phản kháng
1.3.1 Mục tiêu và lợi ích bù công suất phản kháng
a. Mục tiêu:
- ðiều chỉnh hệ số công suất: Là thực hiện cấp công suất phản kháng
càng gần tải càng tốt. Hầu hết các phụ tải công nghiệp, nông nghiệp ñều tiêu
thụ công suất phản kháng. Vì vậy mà dòng tải có khuynh hướng lớn hơn dòng
ñiện cần thiết ñể cung cấp riêng cho công suất sinh công. ðiều này dẫn tới
gây lãng phí do phải tăng tiết diện dây dẫn, gây tổn thất ñiện áp cũng như tổn
thất ñiện năng lớn hơn nhiều so với thực tế.
- Củng cố việc ñiều áp: Là một vấn ñề quan trọng và ñặc biệt cần thiết
nếu trong lưới ñiện có các phụ tải có nhu cầu công suất phản kháng luôn thay
ñổi. Trong mọi trường hợp, sự biến thiên về nhu cầu công suất phản kháng sẽ

gây ra sự biến thiên ñiện áp tại ñiểm cung cấp làm ảnh hưởng ñến hoạt ñộng
của các phụ tải ñấu nối vào ñiểm ñó và làm tăng khả năng nhiễu loạn giữa các
phụ tải ở gần. ðể ngăn ngừa việc này chúng ta phải cố gắng duy trì ñiện áp
trong giới hạn quy ñịnh. Trong trường hợp này thiết bị bù ñóng vai trò quan
trọng trong việc duy trì ñiện áp trong giới hạn quy ñịnh.
- Cân bằng phụ tải: ða số các hệ thống ñiện xoay chiều là ba pha và
ñược thiết kế vận hành ở chế ñộ cân bằng. Khi hệ thống hoạt ñộng không cân
bằng làm tăng các thành phần thứ tự nghịch và thứ tự không của dòng ñiện.
Các thành phần này dễ gây tác ñộng xấu: làm tăng các loại tổn thất trong ñộng
cơ và các máy phát, gây dao ñộng mômen quay ở các máy ñiện xoay chiều
…làm cho các thiết bị ñiện hoạt ñộng không ñúng chức năng, làm tăng bão
hoà từ cho máy biến áp và dòng trung tính vượt quá mức cho phép.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

12


b. Lợi ích:
- Tăng hệ số cosφ.
- Giảm tổn thất ñiện năng tiêu hao trên ñồng.
- Giảm ñộ sụt áp và cải thiện việc ñiều chỉnh ñiện áp.
- Giảm công suất phát tại các nhà máy.
- Giảm dung lượng các trạm biến áp.
- Giảm công suất truyền tải.
…

1.3.2 Các phương tiện bù công suất phản kháng
a. Máy bù ñồng bộ
Xét ñường dây trên hình sau:

•

U1

1

R

•

X

S2

2
•

U2

MB
Qb

Hình 1-5: ñường dây truyền tải
ðiện áp ở cuối ñường dây trước khi ñặt máy bù là:
U2 = U1 -

P2 R + Q2 X
U2

Ở ñây ta nhận thấy ñiện áp ở cuối ñường dây U2 luôn nhỏ hơn ñiện áp ở

ñầu ñường dây U1 do có sự tổn hao trên ñường dây. ðể U2 ñạt ñến yêu câu ≈
U1 cần phải ñặt máy bù ñồng bộ có công suất Qb. Sau khi ñặt thiết bị bù ñiện
áp ở cuối ñường dây gọi là U2yc ñược tính như sau:

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

13


U 2 yc = U 1 −

⇒

(U

Qb =

P2 R + (Q2 − Qb X )
U 2 yc

2 yc

[

]

− U 2 ) U 2 ycU 2 − (P2 R + Q2 X )
U2 X

Nếu như lấy 1/U2yc ≈ 1/U2, khi ñó công suất của thiết bị bù ñược xác

ñịnh theo biểu thức sau [4, tr138]:
Qb =

U 2 yc − U 2
X

U 2 yc

Các máy bù ñồng bộ có thể làm việc cả ở chế ñộ quá kích thích và thiếu
kích thích. Khi quá kích thích các máy bù ñồng bộ phát ra công suất phản
kháng bằng công suất bù dao ñộng: Qbp = Qbdñ. Trong chế ñộ thiếu kích thích
các máy bù tiêu thụ công suất phản kháng Qbt = 0,5Qbdñ, do ñó có thể dẫn ñến
tăng tổn thất ñiện áp trong mạng và giảm tổn thất ñiện áp ở các hộ tiêu thụ.
ðiều chỉnh ñiện áp bằng máy bù ñồng bộ có thể áp dụng chỉ trong
trường hợp các trạm khu vực không có máy biến áp ñiều chỉnh dưới tải.
- Ưu ñiểm:
+ Máy bù ñồng bộ có thể ñiều chỉnh trơn còn tụ ñiện ñiều chỉnh theo
từng cấp.
+ Máy bù có thể phát ra hay tiêu thụ CSPK, tụ ñiện chỉ phát ra CSPK.
+ CSPK do tụ ñiện phát ra phụ thuộc vào ñiện áp vận hành. Thời gian
vận hành, tuổi thọ ngắn, dễ hư hỏng (khi bị ngắn mạch, quá áp).
b. Bù tĩnh
1) Bù bằng tụ ñiện tĩnh
ðối với lưới ñiện trung áp thường giải bù công suất phản kháng ở mỗi
cụm nhỏ thường từ 300 KVAr ñến 600 KVAr nên thường dùng tụ ñiện tĩnh ñể
bù.
Tụ ñiện tĩnh có suất ñầu tư bé và không phụ thuộc công suất ñặt, thời
gian thiết kế và thi công nhanh, chi phí vận hành bảo dưỡng thấp, vị trí lắp ñặt
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

14