Đồ án: Sử dụng thuật toán PGPSO cho bài toán điều độ 3 công suất phản kháng

vii

MỤC LỤC

Trang số

TÓM TẮT............................................................................................................. iii
ABSTRACT............................................................................................................v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT..........................................................................x
DANH MỤC CÁC BẢNG .....................................................................................xi
DANH MỤC CÁC HÌNH .....................................................................................xii
Chương 1: MỞ ðẦU ...............................................................................................1
1.1 GIỚI THIỆU .....................................................................................................1
1.1.1 ðặt vấn ñề.......................................................................................................1
1.1.2 Tính cấp thiết của ñề tài ..................................................................................2
1.2 MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.......................3
1.2.1 Mục tiêu của ñề tài nghiên cứu .......................................................................3
1.2.2 Nội dung ñề tài nghiên cứu .............................................................................4
1.2.3 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................4
1.3TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ................................................5
1.4 CẤU TRÚC LUẬN VĂN..................................................................................6
Chương 2.................................................................................................................7
TỔNG QUAN VỀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG..................................................7
VÀ ðIỀU ðỘ CÔNG SUẤT KHÁNG....................................................................7
2.1. Giới thiệu tổng quan về công suất kháng ..........................................................7
2.1.1 Lưới phân phối ...............................................................................................7
2.1.1.1 Vai trò của lưới phân phối............................................................................7
2.1.1.2 Phân phối theo một cấp ñiện áp trung áp......................................................7
2.1.1.3 Phân phối theo hai cấp ñiện áp trung áp .......................................................8
2.1.1.4 ðặc ñiểm chung của lưới phân phối .............................................................9
2.1.1.5 ðặc ñiểm của lưới phân phối Việt Nam hiện nay .......................................10

2.1.2 Công suất phản kháng...................................................................................11
2.1.2.1 Công suất phản kháng của ñiện cảm...........................................................11


viii

2.1.2.2 Công suất phản kháng của ñiện dung .........................................................12
2.1.3 Các nguồn phát công suất phản kháng ..........................................................14
2.1.3.1 Máy ñiện ñồng bộ ......................................................................................14
2.1.3.2 ðường dây tải ñiện.....................................................................................15
2.1.3.3 Tụ ñiện tĩnh ...............................................................................................15
2.1.4 Nhu cầu công suất phản kháng ở một số phụ tải ñiện ....................................17
2.1.4.1 ðộng cơ không ñồng bộ.............................................................................17
2.1.4.2 Máy biến áp ...............................................................................................17
2.1.4.3 ðèn huỳnh quang.......................................................................................18
2.2 Bù công suất phản kháng cho phụ tải...............................................................18
2.3 Các lợi ích khi thực hiện bù công suất phản kháng: .........................................20
Chương 3...............................................................................................................22
PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓAVÀ SỬ DỤNG THUẬT TOÁN..........................22
PGPSO ðỂ GIẢI BÀI TOÁN ðIỀU ðỘ CÔNG SUẤT KHÁNG.........................22
3.1. Các phương pháp tối ưu hóa ñiều ñộ công suất phản kháng ............................22
3.2. Sử dụng thuật toán PGPSO giải quyết bài toán ñiều ñộ công suất kháng.........23
3.3. Phương pháp tối ưu hóa bằng thuật toán tiến hóa bầy hạt................................26
3.3.1.Thuật toán tiến hóa bầy hạt ...........................................................................26
3.3.2. Khái niệm Pseudo -Gradient ........................................................................29
3.3.3. Thuật toán bầy hạt hướng giả (PGPSO) .......................................................31
3.4 Các bước thực hiện phương pháp PGPSO........................................................33
Chương 4 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN.......................................................................37
4.1 Dữ liệu ban ñầu ...............................................................................................37
4.2 Kết quả tính toán .............................................................................................40

4.2.1 Kết quả với mục tiêu tổn thất công suất Ploss nhỏ nhất.................................40
4.2.2 Kết quả với mục tiêu ñộ lệch ñiện áp nhỏ nhất..............................................43
4.2.3 Kết quả với mục tiêu chỉ số ổn ñịnh ñiện áp nhỏ nhất ...................................47
CHƯƠNG 5 ..........................................................................................................52
KẾT LUẬN – THẢO LUẬN ................................................................................52


ix

THUẬT NGỮ VÀ ðỊNH NGHĨA:........................................................................53
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................53
PHỤ LỤC..............................................................................................................56
Chương trình thực hiện hệ thống tổn thất công suất của PGPSO............................56


x

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

HPSO-TVAC: Hierarchical Paricle Swarm Optimizer with Time–varying
acceleration coefficients
HTð: Hệ thống ñiện
ORPD: Optimmal Reactive Power Dispatch
PGPSO: Pseudo- gradient Guided by Paricle Swarm Optimization
PSO-CF:Paricle Swarm Optimization with constriction factor
TVAC: Time –varying acceleration coefficients
TVIW: Time – varying inertia weight
VSI: Voltage Stability Index

xi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4. 1. ðặc tính hệ thống 30 bus ......................................................................38
Bảng 4. 2. Thông số cơ bản hệ thống 30 bus..........................................................37
Bảng 4. 3 Thông số tải thống 30 bus......................................................................38
Bảng 4. 4Thông số các phương pháp PSO .............................................................39
Bảng 4. 5 Kết quả so sánh về tổn thất công suất của các PSO hệ thống 30 bus ......40
Bảng 4. 6 Giải pháp tốt nhất về tổn thất công suất bởi các PSO hệ thống 30 bus

41

Bảng 4. 7.Kết quả ñộ lệch ñiện áp của các PSO với hệ thống 30 bus .....................43
Bảng 4. 8 Giải pháp tốt nhất về ñộ lệch ñiện áp bởi các PSO với hệ thống 30 bus 44
Bảng 4. 9 Kết quả chỉ số ổn ñịnh ñiện áp của các PSO ..........................................47
Bảng 4. 10 Giải pháp tốt nhất về chỉ số ổn ñịnh ñiện áp bởi các PSO ....................47
Bảng 4. 11 Kết quả tốt nhất so sánh với các PSO với hệ thống 30 bus ...................50


xii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1 1. Hệ thống ñiện 500kV Việt Nam...............................................................3
Hình 2. 1. Phân phối theo một cấp ñiện áp trung áp ................................................. 8
Hình 2. 2 Phân phối theo hai cấp ñiện áp trung áp ...................................................8
Hình 2. 3 Mạch ñiện với tải có tính ñiện cảm ........................................................11
Hình 2. 4 Quan hệ giữa P và Q ở mạch tải có tính ñiện cảm .................................12
Hình 2. 5. Mạch ñiện với tải có tính ñiện dung ......................................................13
Hình 2. 6 Quan hệ giữa P và Q ở mạch tải có tính ñiện dung ................................13
Hình 2. 7. Sự giảm CSPK của mạch ñiện nhờ có QC..............................................14

Hình 2. 8 Lưới ñiện khi chưa ñặt thiết bị bù...........................................................19
Hình 2. 9 Lưới ñiện ñã ñặt tụ bù ............................................................................20
Hình 4. 1. Sơ ñồ hệ thống IEEE 30 bus.................................................................. 37
Hình 4. 2 ðặc tính hội tụ tổn thất ñiện năng của hệ thống 30 bus...........................42
Hình 4. 3Thực hiện 50 bước PGPSO với tổn thất công suất hệ thống 30 bus .........43
Hình 4. 4.ðặc tính hội tụ ñộ lệch ñiện áp của hệ thống 30 bus ...............................46
Hình 4. 5Thực hiện 50 bước PGPSO với ñộ lệch ñiện áp hệ thống 30 bus .............46
Hình 4. 6 ðặc tính hội tụ chỉ số ổn ñịnh ñiện áp của hệ thống 30 bus ....................49
Hình 4. 7. Thực hiện 50 bước PGPSO với chỉ số ổn ñịnh ñiện áp hệ thống 30 bus.50


1

Chương 1: MỞ ðẦU
1.1 GIỚI THIỆU
1.1.1 ðặt vấn ñề
Hiện nay hệ thống ñiện (HTð) Việt Nam ñã phát triển tương ñối ñầy ñủ và
quy mô ngày càng tăng. ðể ñảm bảo nhu cầu ñiện năng cho phát triển kinh tế – xã
hội hầu như tất cả nguồn tài nguyên năng lượng ñất nước ñã ñược huy ñộng. Ngoài
ra, trong thời gian gần ñây hệ thống ñiện Việt Nam ñã có mối liên kết trao ñổi với
các nước trong khu vực. Cùng với sư lớn lạnh của HTð, những nội dung nghiên
cứu tối ưu phát triển HTð cũng ñã ñược ngành ñiện và các nhà khoa học trong nước
nghiên cứu hoàn thiện cả về phương pháp luận và các thuật toán mô hình, phần
mềm tính toán. Nhiều chương trình tính toán tối ưu phát triển hệ thống năng lượng
nói chung và HTð nói riêng ñã ñược nhập khẩu như: Dự báo nhu cầu năng lượng:
MAED (trong tổ hợp ENPEP); MEDEE-S; DDAS (trong tổ hợp ETB); Cân bằng
cung/cầu: BALANCE (trong tổ hợp ENPEP); EFOM-ENV; ESPS (trong tổ hợp
ETB); và Quy hoạch nguồn ñiện: WASP (trong tổ hợp ENPEP); ESP (trong tổ hợp
ETB).v.v…ðiều ñáng lưu ý là các chương trình nhập khẩu không cho phép giải
quyết các nội dung ñặc thù cơ bản của HTð Việt Nam hiện tại, nên kết quả thu

ñược chưa ñáp ứng ñược yêu cầu nên thường phải lấy ý kiến chuyên gia ñể xử lý và
phân tích lựa chọn kết quả.
Từ góc ñộ khai thác tối ưu, ngoài những ñặc ñiểm chung như ở các nước phát
triển, HTð Việt Nam có những ñặc thù trong việc giải quyết các vấn ñề về phương
pháp luận tối ưu như sau:
HTð toàn quốc với 3 trung tâm phụ tải lớn phía Bắc – Trung – Nam ñã ñược
hợp nhất bằng ñường dây truyền tải 500kV- 2 mạch, trọng tâm phụ tải (chiếm 80%
phụ tải toàn quốc) lại tập trung nhiều ở miền Nam và miền Bắc, cách xa nhau
khoảng 2000km. Cho nên, khi nghiên cứu bài toán tối ưu phát triển và tối ưu vận


2

hành HTð trong mô hình tối ưu bắt buộc phải chú ý ñến khả năng truyền tải giữa
các miền với nhau.
Do sự tăng lên về quy mô và sự phức tạp trong hệ thống ñiện Việt Nam với sự
trao ñổi công suất lớn giữa miền Bắc và miền Nam thông qua ñường dây liên kết từ
Bắc ñến Nam, vấn ñề tối ưu trong quy hoạch và khai thác hệ thống ñiện trở nên
thiết yếu. ðể ñảm bảo chất lượng cung cấp ñiện, sự an toàn và tính kinh tế trong các
ñiều kiện vận hành khác nhau, chiến lược ñiều khiển tối ưu là cấn thiết. Vì vậy, ñề
tài này trình bày ứng dụng của chương trình tối ưu ñiều ñộ công suất khángvới các
mục tiêu khác nhau ñối với hệ thống ñiện (HTð) Việt Nam như là ñiều ñộ kinh tế,
ñiều khiển ñiện áp/công suất phản kháng và các chiến lược ñiều khiển nhằm tránh
sự nguy hiểm của việc không ổn ñịnh ñiện áp.
1.1.2 Tính cấp thiết của ñề tài
ðối với hệ thống ñiện Việt Nam cụ thể có ñường dây truyền tải 500kV từ Hòa
Bình ñến Phú Lâm ñược xây dựng (1.483 km như hình 1) ñể tải công suất từ miền
Bắc (với tổng công suất 1.920 MW của nhà máy Thủy ñiện Hòa Bình) ñến HTð
miền Trung và miền Nam trong suốt mùa mưa. Vào mùa khô, ñường dây này ñược
dùng ñể tải công suất từ miền Nam ñến miền Trung và Miền Bắc. ðường dây

500kV từ Hòa Bình ñến Phú Lâm ñược bù bởi kháng bù ngang (70%) và tụ bù dọc
(60%). ðối với HTð Việt Nam, nhu cầu tải ñỉnh khoảng 9.000 MW.
Sắp ñến, hai trạm trung gian ñặt tại Di Linh và Tân ðịnh ñược thêm vào dọc
theo ñường dây truyền tải 500kV mạch 2 từ Pleiku ñến Phú Lâm. Phần từ Pleiku ñi
Di Linh và từ Di Linh ñến Tân ðịnh ñược bù bởi kháng bù ngang (70%) và tụ bù
dọc (60%). Trạm Di Linh sẽ nhận khoảng 300MW từ Nhà máy thủy ñiện ðại Ninh.
Trong giai ñoạn này, ñường dây truyền tải 500kV thứ 3 và thứ 4 từ Phú Lâm tới
Phú Mỹ thông qua Nhà Bè và từ Phú Lâm ñến Ômôn (600 MW) thông qua Nhà Bè,
sẽ ñược xây dựng. Trạm 500kV Phú Mỹ sẽ nhận khoảng 3.600 MW từ nhà máy
ñiện Phú Mỹ. Do ñó với ñề tài “Sử dụng thuật toán PGPSO cho bài toán ñiều ñộ


3

công suất phản kháng” góp phần trong việc giải quyết nhanh chóng vấn ñề ñiều ñộ
công suất kháng trong hệ thống ñiện Việt Nam hiện hữu như giảm tối thiểu tổn thất
ñiện năng, cải tiến trạng thái ổn ñịnh ñiện áp, giới hạn công suất phản kháng của
máy phát và có khả năng ñiều chỉnh công suất tụ bù, giới hạn ñiện áp, giới hạn thay
ñổi của máy biến áp và các giới hạn của vấn ñề truyền tải…

Hình 1 1. Hệ thống ñiện 500kV Việt Nam

1.2 MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.2.1 Mục tiêu của ñề tài nghiên cứu
Xây dựng và giải quyết bài toán ñiều ñộ công suất phản kháng lưới ñiện phân
phối trên cơ sở ứng dụng thuật toán nhằm giải quyết bài toán ñiều ñộ công suất


4

phản kháng ñể ổn ñịnh hệ thống truyền tải hệ thống lưới ñiện, chất lượng giải pháp
tốt hơn so với các phương pháp khác, giảm chi phí vận hành hệ thống ñiện
1.2.2 Nội dung ñề tài nghiên cứu
Nội dung ñề tài nghiên cứu là tìm hiểu tối ưu hóa bài toán ñiều ñộ công suất
phản kháng hệ thống ñiện, nhằm xác ñịnh các thay ñổi trong quá trình ñiều khiển
cũng như ñộ lớn ñiện áp máy phát, khả năng bù công suất phản kháng, cài ñặt dòng
rò máy biến áp vì thế hàm tiêu của vấn ñề giảm thiểu nhỏ nhất ñáp ứng cho máy
phát và hệ thống bị hạn chế . Trong vấn ñề ñiều ñộ công suất phản kháng, mục tiêu
ñề ra là giảm tổng tổn thất ñiện năng, ñộ sai lệch ñiện áp ở các thanh cái ñể cải tiến
ñiện áp hệ thống hay chỉ số ổn ñịnh ñiện áp nhằm tăng khả năng ổn ñịnh ñiện áp.
ðiều ñộ công suất phản kháng là vấn ñề tối ưu hóa phức tạp với qui mô lớn nhưng
hạn chế mục tiêu phi tuyến tính. Trong vận hành hệ thống ñiện, vai trò chính của
ñiều ñộ công suất phản kháng là duy trì ñiện áp trên thanh cái truyền tải trong phạm
vi giới hạn ñể cung cấp chất lượng ñiện năng ñến khách hàng.
1.2.3 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu là sử dụng thuật toán PGPSO ñể giải bài toán ñiều ñộ
công suất kháng trên hệ thống lưới ñiện. Vấn ñề tối ưu ñiều ñộ công suất kháng
(ORPD) với các chức năng là hướng tới mục ñích khác nhau ñối với hệ thống ñiện
như là ñiều ñộ kinh tế, ñiều khiển ñiện áp/công suất phản kháng và các chiến lược
ñiều khiển ñể tranh nguy cơ mất ổn ñịnh ñiện áp. Phương pháp tối ưu dựa trên chỉ
số mất ổn ñịnh ñiện áp ñược ñề cập và phát triển.
Phương pháp thuật toán ñề xuất ñể giải quyết vấn ñề ñiều ñộ công suất phản
kháng. Trong vấn ñề tối ưu, sự thay ñổi ñược ñề cập bao gồm biến ñiều khiển và
trạng thái thay ñổi. Các biến ñiều khiển bao gồm công suất tác dụng, ñiện áp ở
thanh cái máy phát ñiện, tỉ số của máy biến áp và công suất tác dụng bởi các bộ tụ
ñiện. Thay ñổi trạng thái của gồm công suất máy phát ñiện ở thanh cái, ñiện áp


5

thanh cái, công suất tác dụng của máy phát, công suất truyền tải. Hơn nữa, vấn ñề
ñiều ñộ công suất kháng cũng có quan hệ tương ñương với các phương trình và
không quan hệ với giới hạn các biến ñiều khiển và và trạng thái thay ñổi.
1.3 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Vấn ñề nghiên cứu về tối ưu hóa hệ thống ñiện ñã ñược giải quyết bằng các kỹ
thuật khác nhau từ các phương pháp thông thường ñến các phương pháp phức tạp
như dựa vào trí tuệ nhân tạo. Một số phương pháp thông thường ñã ñược áp dụng ñể
giải quyết các vấn ñề như lập trình tuyến tính, lập trình tổ hợp số nguyên, phương
pháp ñiểm, lập trình ñộng và bậc hai. Các phương pháp dựa trên tuyến tính nối tiếp
và sử dụng gradient ñể tìm hiểu về hướng. Các phương pháp tối ưu hóa thông
thường có thể ñúng với vấn ñề tối ưu hóa hàm mục tiêu bậc hai với qui mô khác
nhau. Tuy nhiên, có thể không giải quyết bài toán cực tiểu với nhiều loại cực tiểu
cục bộ khác nhau. Gần ñây, các phương pháp này ñược khám phá ñã trở thành
thông dụng trong việc giải quyết vấn ñề ñiều ñộ công suất phản kháng nhờ các ñiểm
thuận lợi của nó như thực hiện ñơn giản và có khả năng tương ñương giải pháp tối
ưu cho các vấn ñề tối ưu hóa phức tạp hơn. Một vài phương pháp ñột phá ñược áp
dụng ñể giải quyết vấn ñề như Lập trình tiến hóa (EP), thuật toán di truyền (GA),
thuật toán tối ưu hóa bản ñịa (ACOA), tiến hóa khác nhau (DE), nghiên cứu hòa
hợp (HS)….Các phương pháp này có thể cải thiện các giải pháp tối ưu cho vấn ñề
ORPD ñược so sánh với các phương pháp thông thường nhưng có hiệu suất tương
ñối chậm.
Trong những năm gần ñây ñã có nhiều công trình nghiên cứu xác ñịnh vị trí
tối ưu tụ bù trong lưới phân phối sử dụng thuật toán mờ (gọi tắt là phương pháp
mờ). Phương pháp giải quyết bài toán xác ñịnh vị trí của tụ bù trong lưới phân phối
sử dụng phương pháp tìm kiếm thực nghiệm. Bài toán xác ñịnh vị trí tụ bù tối ưu
trong lưới phân phối sử dụng thuật toán di truyền – mờ ….


6

1.4 CẤU TRÚC LUẬN VĂN
Tên ñề tài: “Sử dụng thuật toán PGPSO ñể giải bài toán ñiều ñộ công suất

kháng”
Chương 1. Mở ñầu
Chương 2: Tổng quan về công suất phản kháng và ñiều ñộ công suất kháng
Chương 3: Phương pháp tối ưu hóa và sử dụng thuật toán PGPSO ñể giải bài
toán ñiều ñộ công suất kháng
Chương 4: Kết quả tính toán
Chương 5: Kết luận – thảo luận.


7

Chương 2
TỔNG QUAN VỀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
VÀ ðIỀU ðỘ CÔNG SUẤT KHÁNG
2.1. Giới thiệu tổng quan về công suất kháng
ðề cập ñến một số vấn ñề:
- Lưới phân phối
- Công suất phản kháng
- Các phụ tải ñiện
- ðiều ñộ công suất phản kháng cho phụ tải
2.1.1 Lưới phân phối
2.1.1.1 Vai trò của lưới phân phối
Lưới phân phối thực hiện nhiệm vụ phân phối ñiện cho một ñịa phương (thành
phố, quận, huyện …v..v), có bán kính cung cấp ñiện nhỏ ( thường dưới 50 km).
Lưới phân phối nhận ñiện từ các trạm phân phối khu vực, gồm:
- Lưới ñiện có các cấp ñiện áp 110/35 kV; 110/22 kV; 110/10 kV; 110/6 kV.
- Lưới ñiện có các cấp ñiện áp 35/22 kV; 35/10 kV; 35/6 kV

Phương thức cung cấp ñiện của lưới phân phối thường có hai dạng: Phân phối
theo một cấp ñiện áp trung áp và phân phối theo hai cấp ñiện áp trung áp.
2.1.1.2 Phân phối theo một cấp ñiện áp trung áp


8

- Trạm nguồn có thể là trạm tăng áp của các nhà máy ñịa phương hoặc
trạm phân phối khu vực có các dạng CA/TA (110/35-22-10-6 kV)
- Trạm phân phối nhận ñiện từ trạm nguồn qua lưới trung áp, sau ñó ñiện
năng ñược phân phối tới các hộ phụ tải qua mạng ñiện hạ áp, có dạng TA/HA (3522-10-6/0.4 kV).
Mạng hạ áp

Mạng trung áp

Mạng trung áp
(Trạm nguồn)

Trạm phân
phối

Mạng hạ áp
(Hộ phụ tải)

Hình 2. 1. Phân phối theo một cấp ñiện áp trung áp
2.1.1.3 Phân phối theo hai cấp ñiện áp trung áp
Mạng phân phối 1 và phân phối 2

Trạm
nguồn

Hộ phụ tải

Trạm phân
phối hạ áp
Trạm phân
phối trung
gian

Mạng phân phối
1

Mạng phân phối 2

Mạng hạ áp

Hình 2. 2 Phân phối theo hai cấp ñiện áp trung áp
- Trạm nguồn là trạm tăng áp của các nhà máy ñiện ñịa phương hoặc trạm
phân phối khu vực, thường có các dạng CA/TA (110/35 kV) hoặc TA1/TA2
(35/22-10-6 kV).
- Trạm phân phối trung gian có dạng TA1/TA2 (35/22-10-6 kV).


Ket-noi.com chia se mien phi

9

- Trạm phân phối hạ áp có dạng TA/HA (22-10-6/0.4 kV).
Kết cấu lưới phân phối có ảnh hưởng rất lớn tới các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật
của toàn hệ thống ñiện như:

- ðộ tin cậy cung cấp ñiện
- ðộ dao ñộng ñiện áp tại các hộ phụ tải
- Tổn thất ñiện năng: ở lưới phân phối thường có tổn thất ñiện năng gấp 3
tới 4 lần ở lưới truyền tải
- Chi phí ñầu tư xây dựng: chi phí ñầu tư xây dựng ở lưới phân phối thường
từ 1.5 tới 2.5 lần so với lưới truyền tải
- Xác suất ngừng cung cấp ñiện: Xác suất ngừng cung cấp ñiện ở lưới phan
phối thường lớn hơn nhiều lần ở lưới truyền tải do kết cấu lưới phân phối rất phức
tạp.
2.1.1.4 ðặc ñiểm chung của lưới phân phối
Lưới phân phối có một số ñặc ñiểm chung như sau:
- Phụ tải của lưới phân phối ña dạng và phức tạp.
- Lưới phân phối thường có dạng hinh tia. Chế ñộ vận hành bình thường
của lưới phân phối là vận hành hở.
- ðể tăng cường ñộ tin cậy cung cấp ñiện người ta có thể sử dụng cấu trúc
mạch vòng nhưng thường vận hành ở chế ñộ hở. Trong mạch vòng các ñường dây
thường ñược liên kết với nhau bằng dao cách ly, hoặc máy cắt ñiện. Các thiết bị này
vận hành ở vị trí mở. Khi cần sửa chữa hoặc sự cố thì việc cung cấp ñiện không bị
gián ñoạn lâu dài nhờ việc chuyển ñổi phương thức cung cấp ñiện.


10

- So với mạng hình tia, mạng mạch vòng có chất lượng ñiện tốt hơn. Tuy
nhiên mạch vòng lại tồn tại nhiều vấn ñề phức tạp về bảo vệ rơle và hiệu quả khai
thác mạch vòng kín so với mạch hình tia thấp hơn với cùng lượng vốn ñầu tư.
- Trong những năm gần ñây, do sự phát triển nhanh chóng các thiết bị có
công nghệ cao và các thiết bị tự ñộng, việc giảm bán kính cung cấp ñiện – tăng tiết
diện dẫn và bù công suất phản kháng nên chất lượng ñiện năng trong mạng hình tia
ñã ñược cải thiện ñáng kể. Kết quả của các công trình nghiên cứu và thống kê từ

thực tế vận hành cho thấy rằng hiện nay lưới phân phối hình tia vẫn còn ñược sử
dụng phổ biến.
2.1.1.5 ðặc ñiểm của lưới phân phối Việt Nam hiện nay
Do lịch sử phát triển, lưới phân phối Việt Nam hiện nay còn tồn tại rất
nhiều cấp ñiện áp phân phối như 35, 22, 10, 6 kV làm cho kết cấu lưới rất phức tạp.
Phương thức cấp ñiện hỗn hợp cả hai mô hình một cấp ñiện áp và hai cấp ñiện áp
trung áp cũng góp phần tăng thêm ñộ phức tạp của lưới phân phối. Ngoài ra quy
hoạch và phát triển lưới ñiện chưa có ñược mô hình tổng thể và sự thống nhất. Do
vậy chất lượng cung cấp ñiện còn thấp: ðộ sụt áp và các loại tổn thất lớn, sự cố xảy
ra nhiều.
Các thiết bị ñiện, phụ tải ñiện vận hành trên lưới chưa ñược quy ñịnh chặt
chẽ về các chỉ tiêu kỹ thuật ( các thông số kỹ thuật, hiệu suất, hệ số công suất, chế
ñộ làm việc, sóng hài, các chương trình quản lý, …v..v..) ñể ñảm bảo chất lượng
lưới.
Các ñường dây thường có khoảng cách lớn, mang tải lớn vượt quá khả năng
tải của cấp ñiện áp ñang sử dụng.
Những ñặc ñiểm nêu trên dẫn tới chất lượng cung cấp ñiện chưa cao, chất
lượng ñiện năng không ñảm bảo: ðộ sụt áp lớn, sóng hài cao, tổn thất lớn, sự cố xảy
ra nhiều.


11

Vì vậy việc nghiên cứu tổng thể về lưới phân phối hiện nay là rất cần thiết,
trong ñó nghiên cứu việc bù công suất phản kháng ñể giảm tổn thất công suất, giảm
tổn thất ñiện năng, cải thiện ñiện áp, hệ số công suất, hạn chế các dao ñộng ñiện áp
lớn và các nhiễu loạn trên lưới ñiện nhằm cải thiện chất lượng cung cấp ñiện và
tăng hiệu quả kinh tế, từ ñó ñưa ra những quy hoạch phát triển chi tiết, tổng thể ñể
ñảm bảo và ñáp ứng tốt tốc ñộ tăng trưởng kinh tế là công việc ñang ñược ngành
ñiện quan tâm.

2.1.2 Công suất phản kháng
2.1.2.1 Công suất phản kháng của ñiện cảm
Trong mạch ñiện có tải là ñiện trở và ñiện cảm (Hình 2.3) ñược cung cấp bởi
ñiện áp u = Umsinωt, dòng ñiện i chậm pha sau so với ñiện áp u góc ϕ

i = Im.sin(ωt-ϕ)

(2.1)

i = Im(sinωt.cosϕ - sinϕ.cosωt)

(2.2)

i = ia + ir

(2.3)

u

i

R
L

Hình 2. 3 Mạch ñiện với tải có tính ñiện cảm
Trong ñó:

ia = Imcosϕ.sinωt

(2.4)

ir = - Im.sinϕ.cosωt = Im.sinϕ.sin(ωt - π/2)

(2.5)

Có thể coi dòng ñiện i là tổng của hai thành phần:


12

+ ia có biên ñộ Imcosϕ cùng pha với ñiện áp u, ñược hiểu là thành phần tác
dụng của dòng ñiện.
+ ir có biên ñộ Imsinϕ chậm pha với ñiện áp u góc π/2, ñược hiểu là thành
phần phản kháng của dòng ñiện.
Công suất tương ứng với thành phần ia :

P = UIcosϕ gọi là công suất tác dụng, ñặc trưng cho cường ñộ của quá trình
tiêu tán năng lượng.
Công suất tương ứng với thành phần ir :

Q = U .I . sin ϕ , (với ϕ > 0 nên Q > 0 ) gọi là công suất phản kháng của ñiện
cảm, ñặc trưng cho cường ñộ của quá trình dao ñộng năng lượng giữa nguồn với từ
trường của ñiện cảm.
Biểu diễn quan hệ P và QL như hình 2.4

P = U .I . cos ϕ
ϕ >0
S = U .I

r

r

U

I

QL = U .I . sin ϕ

Hình 2. 4 Quan hệ giữa P và Q ở mạch tải có tính ñiện cảm
2.1.2.2 Công suất phản kháng của ñiện dung
Trong mạch ñiện có tải là ñiện trở và ñiện dung (Hình 2.5) ñược cung cấp
bởi ñiện áp u = Umsinωt, dòng ñiện i vượt trước so với ñiện áp u góc ϕ

i = Im.sin(ωt+ϕ)

(2.6)


13

i = Im(sinωt.cosϕ + sinϕ.cosωt)

(2.7)

i = ia + ir

(2.8)
R

i

u

C

Hình 2. 5. Mạch ñiện với tải có tính ñiện dung
Trong ñó:

ia = Im.cosϕ.sinωt

(2.9)

ir = Im.sinϕ.cosωt = Imsinϕ.sin(ωt + π/2)

(2.10)

Có thể coi dòng ñiện i là tổng của hai thành phần:
+ ia có biên ñộ Im.cosϕ cùng pha với ñiện áp u, ñược hiểu là thành phần tác
dụng của dòng ñiện.
+ ir có biên ñộ Im.sinϕ vượt trước so với ñiện áp u góc π/2, ñược hiểu là
thành phần phản kháng của dòng ñiện.
Công suất tương ứng với thành phần ia :

P = U.I.cosϕ gọi là công suất tác dụng, ñặc trưng cho cường ñộ của quá
trình tiêu tán năng lượng.

S = U .I
ϕ <0

r

I

QC = U .I . sin ϕ
r

U
P = U .I . cos ϕ
Hình 2. 6 Quan hệ giữa P và Q ở mạch tải có tính ñiện dung


14

Công suất tương ứng với thành phần ir :

QC = U .I . sin ϕ , (với ϕ < 0 nên QC < 0 ) gọi là công suất phản kháng của tụ
ñiện, ñặc trưng cho cường ñộ của quá trình dao ñộng năng lượng giữa nguồn và
ñiện trường của tụ ñiện.

Q
Q
ϕ

Q

ϕ
P

Hình 2. 7. Sự giảm CSPK của mạch ñiện nhờ có QC
Trong mạch ñiện gồm có cả ñiện cảm và ñiện dung, công suất phản kháng

ñiện dung ngược dấu với công suất phản kháng ñiện cảm, có tác dụng giảm bớt
công suất phản kháng của mạch ñiện (Hình 2.7):

Q = QL − QC

(2.11)

Năng lượng tích luỹ trong ñiện trường của ñiện dung còn gọi là năng lượng
tĩnh ñiện, dấu của nó luôn luôn ngược với dấu năng lượng ñiện từ trong từ trường
của ñiện cảm.
- Năng lượng ñiện từ là năng lượng phản kháng dương
- Năng lượng tĩnh ñiện là năng lượng phản kháng âm.
2.1.3 Các nguồn phát công suất phản kháng
2.1.3.1 Máy ñiện ñồng bộ


15

Trong hệ thống ñiện, các nguồn công suất phản kháng gồm có: Máy ñiện
ñồng bộ (máy phát ñiện, máy bù, ñộng cơ ñồng bộ), tụ ñiện tĩnh và các ñường dây
tải ñiện (ñường dây có ñiện áp cao hoặc cáp ñiện).
Khả năng phát công suất phản kháng của nhà máy ñiện rất hạn chế do cosϕñm
của máy phát thường không ñược thấp hơn 0.8. Vì lý do kinh tế người ta hạn chế sử
dụng các máy bù ñồng bộ và ñộng cơ ñiện ñồng bộ. Chúng chỉ sử dụng trong những
trường hợp ñặc biệt, không thể thay thế. Các máy ñiện ñồng bộ nói chung chỉ ñáp
ứng ñược một phần nhu cầu công suất phản kháng của phụ tải (chủ yếu tập trung ở
phía lưới truyền tải), phần còn lại do các tụ ñiện tĩnh ñảm trách. Các tụ ñiện tĩnh
dùng làm nguồn phát công suất phản kháng có thể ñược sử dụng ở cả phía lưới
truyền tải và lưới phân phối.
2.1.3.2 ðường dây tải ñiện

Trong hệ thống ñiện có thể kể ñến một nguồn công suất phản kháng nữa ñó
là các ñường dây, nhất là các ñường dây siêu cao áp. Tuy nhiên, với lưới phân phối,
lưới có ñiện áp thấp, công suất phản kháng phát ra có số lượng ñáng kể ở các ñường
cáp có chiều dài lớn.
2.1.3.3 Tụ ñiện tĩnh
Trong khuôn khổ của ñề tài, tác giả chỉ tập trung ñề cập ñến nguồn công suất
phản kháng trong lưới phân phối ñược sinh ra từ các tụ ñiện tĩnh cùng các ưu nhược
ñiểm của nó.

Ưu ñiểm:
- Chi phí tính theo một ñơn vị công suất phản kháng (kVAr) ở tụ ñiện rẻ hơn
máy bù ñồng bộ, ưu ñiểm này càng rõ nét khi lượng công suất phản kháng phải
cung cấp càng lớn.


16

- Tổn thất công suất tác dụng trong tụ ñiện rất nhỏ, chỉ 2 ÷ 4 W/kVAr; trong
khi ñó máy ñiện ñồng bộ tương ñối lớn, khoảng 10 ÷ 15 W/kVAr tuỳ theo công suất
ñịnh mức của máy.
- Tụ ñiện vận hành ñơn giản, ñộ tin cậy cao hơn máy bù ñồng bộ.
- Tụ ñiện lắp ñặt ñơn giản, có thể phân ra nhiều cụm ñể lắp rải trên lưới phân
phối, hiệu quả là cải thiện tốt hơn ñường cong phân bổ ñiện áp. Không cần người
trông nom, vận hành . Việc bảo dưỡng sửa chữa ñơn giản.

Nhược ñiểm:
- Tụ ñiện không cho phép ñiều chỉnh dung lượng bù một cách liên tục như
máy bù ñồng bộ mà dung lượng bù ñược ñiều chỉnh theo từng cấp.
- Tụ ñiện chỉ có khả năng phát ra công suất phản kháng mà không có khả
năng thu nhận công suất phản kháng như máy bù ñồng bộ.

- Công suất phản kháng do tụ ñiện phát ra phụ thuộc vào ñiện áp vận hành.
Tuổi thọ không cao, ñộ bền thấp, dễ hư hỏng (khi bị ngắn mạch, quá áp).
Tuy nhiên, với sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật ñiều khiển, công nghệ chế
tạo vật liệu bán dẫn cùng các thiết bị ñiều khiển, ñiện tử công suất, người ta ñã chế
tạo ra các thiết bị bù tĩnh có khả năng khắc phục các nhược ñiểm của tụ ñiện nhưng
giá thành còn khá cao nên chưa ñược sử dụng phổ biến, ñặc biệt ở lưới phân phối.
- ðể ñiều chỉnh trơn dung lượng bù người ta dùng bù công suất phản kháng
có ñiều khiển SVC (Static Var Compensator).
- ðể có thể phát hay nhận công suất phản kháng người ta dùng SVC gồm tổ
hợp TCR và TSC.
- ðể bảo vệ quá áp và kết hợp ñiều chỉnh tụ bù theo ñiện áp, người ta lắp ñặt
các bộ ñiều khiển ñể ñóng cắt tụ theo ñiện áp.


17

2.1.4 Nhu cầu công suất phản kháng ở một số phụ tải ñiện
Các phụ tải ñiện có nhu cầu lớn về công suất phản kháng gồm có: ñộng cơ
không ñồng bộ, máy biến áp, trên ñường dây tải ñiện và mọi nơi có từ trường.
Công suất phản kháng ñóng vai trò tạo ra từ trường, yếu tố trung gian cần thiết
trong quá trình chuyển hoá biến ñổi ñiện năng.
Nhu cầu công suất phản kháng của từng phụ tải ñiện trong tổng nhu cầu công
suất phản kháng của hệ thống có thể ñược phân chia một cách gần ñúng theo tỉ lệ:
- ðộng cơ không ñồng bộ sử dụng từ 60 ñến 65% tổng công suất phản kháng
của hệ thống.
- Máy biến áp sử dụng từ 22 ñến 25% tổng công suất phản kháng của hệ
thống.
- ðường dây tải ñiện và các phụ tải khác sử dụng 10% tổng công suất phản
kháng của hệ thống.
2.1.4.1 ðộng cơ không ñồng bộ

ðộng cơ không ñồng bộ là thiết bị sử dụng nhiều nhất lượng công suất phản
kháng của hệ thống. Công suất phản kháng ở ñộng cơ không ñồng bộ bao gồm 2
thành phần:
- Phần lớn công suất phản kháng ñược sử dụng ñể tạo ra từ trường khe hở.
Từ thông móc vòng từ mạch stato sang mạch rôto qua môi trường khe hở không khí
có từ trở lớn nên cần dòng ñiện từ hóa lớn dẫn ñến nhu cầu công suất phản kháng
lớn.
- Phần nhỏ công suất phản kháng sinh ra từ trường tản trong mạch sơ cấp. Từ
trường tản không ñóng vai trò gì trong quá trình chuyển hóa năng lượng.
2.1.4.2 Máy biến áp


18

Các máy biến áp sử dụng khoảng 22 ñến 25% lượng công suất phản kháng
của hệ thống, do không có khe hở không khí nên không cần dòng ñiện từ hóa lớn
dẫn ñến nhu cầu công suất phản kháng nhỏ hơn ñộng cơ không ñồng bộ. Nhưng do
số lượng lớn cả về dung lượng và số thiết bị do vậy nhu cầu tổng công suất phản
kháng của máy biến áp cũng ñáng kể:
Công suất phản kháng tiêu thụ bởi máy biến áp gồm hai thành phần:
- Công suất phản kháng dùng ñể từ hoá lõi thép không phụ thuộc vào tải
- Công suất phản kháng tạo ra từ trường tản, phụ thuộc vào tải.
2.1.4.3 ðèn huỳnh quang
ða số các ñèn huỳnh quang vận hành cần có một chấn lưu ñiện từ ñể tạo ñiện
áp mồi ban ñầu cho ñèn và hạn chế dòng ñiện trong quá trình ñèn làm việc bình
thường. Với cấu tạo là cuộn dây – lõi thép, chấn lưu ñiện từ cần sử dụng một lượng
công suất phản kháng ñể từ hóa lõi thép, tạo ra từ trường biến thiên. Tuỳ theo ñiện
cảm của chấn lưu, hệ số công suất chưa ñược hiệu chỉnh của chấn lưu vào khoảng
0,5.
2.2 Bù công suất phản kháng cho phụ tải

Các phụ tải dân dụng và công nghiệp phần lớn là có tính cảm kháng, ñiện áp
vượt trước dòng ñiện. Góc lệch pha giữa ñiện áp và dòng ñiện càng lớn thì hệ số
công suất cos ϕ của lưới ñiện càng nhỏ.
Bù công suất phản kháng có mục tiêu là giảm bớt góc lệch pha giữa dòng
ñiện và ñiện áp. Với cùng một công suất tác dụng cung cấp cho phụ tải, khi hệ số
công suất cos ϕ càng thấp dẫn ñến công suất phản kháng truyền tải trên ñường dây
ñể cung cấp cho phụ tải càng lớn, tạo ra tổn thất công suất tác dụng và tổn thất năng
lượng càng cao.


19

Bù công suất phản kháng có nghĩa là sử dụng các thiết bị có khả năng phát
công suất phản kháng ñặt ở phía tải ñể ñáp ứng trực tiếp nhu cầu công suất phản
kháng của phụ tải.
Trong lưới phân phối chủ yếu sử dụng tụ ñiện tĩnh mắc song song với các
phụ tải sử dụng công suất phản kháng (còn ñược gọi là các tụ bù ngang). Công suất
phản kháng phát ra từ các tụ ñiện tĩnh này sẽ cung cấp trực tiếp cho các phụ tải,
tránh phải truyền tải ñi xa, gây ra nhiều tổn thất trong quá trình truyền tải.
Xét mạng ñiện với phụ tải P + jQ (Hình 2.8)

R + jX

P + jQ

P + jQ

Hình 2. 8 Lưới ñiện khi chưa ñặt thiết bị bù

Tổn thất công suất tác dụng (∆P) và công suất phản kháng (∆Q) trên ñường

dây với tổng trở R + jX ñược xác ñịnh một cách gần ñúng:

P 2 + Q2
R
∆P =
U2
P 2 + Q2
∆Q =
X
U2

(2.12)

Giá trị hiệu dụng của tổn thất ñiện áp trên ñường dây:

∆U =

P .R + Q.X
U

(2.13)