nghiên cứu bù công suất phản kháng trên đường dây phân phối 22 kv có phụ tải phân bố đều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ VĂN HƯNG

NGHIÊN CỨU BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
TRÊN ĐƯỜNG DÂY PHÂN PHỐI 22KV
CÓ PHỤ TẢI PHÂN BỐ ĐỀU

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

S K C0 0 4 4 6 4

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ VĂN HƢNG

NGHIÊN CỨU BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
TRÊN ĐƢỜNG DÂY PHÂN PHỐI 22 KV
CÓ PHỤ TẢI PHÂN BỐ ĐỀU

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ VĂN HƢNG

NGHIÊN CỨU BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
TRÊN ĐƢỜNG DÂY PHÂN PHỐI 22 KV
CÓ PHỤ TẢI PHÂN BỐ ĐỀU

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202
Hƣớng dẫn khoa học: TS. HỒ VĂN HIẾN

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2014


LÝ LỊCH KHOA HỌC

I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Lê Văn Hƣng

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: Ngày 01 tháng 08 năm 1980 Nơi sinh: Thanh Hóa
Quê quán: xã Phú Lộc, huyện Hậu Lộc, tỉnh Thanh Hóa

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Ấp I xã Tiến Thành, thị xã Đồng Xoài,
tỉnh Bình Phƣớc.
Điện thoại cơ quan: 06513936258 Điện thoại nhà riêng:
Fax: 06513870995

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……
Nơi học (trƣờng, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy
tháng 8/2004.

Thời gian đào tạo từ tháng 10/2000 đến

Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại Học Dân Lập Bình Dƣơng, tỉnh Bình Dƣơng
Ngành học: Điện Tử Dân Dụng và Công Nghiệp
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Tính toán tổng trở trên đƣờng dây
tải điện.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Đại Học Dân Lập Bình
Dƣơng, tỉnh Bình Dƣơng
Ngƣời hƣớng dẫn: TS Nguyễn Kim Đính.


III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC:
Thời gian
Từ năm
2004 đến
nay

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm
Lập kế hoạch và đấu thầu

Phòng Vật tƣ Công ty Điện lực

mua sắm vật tƣ thiết bị

Bình Phƣớc

phục vụ cho SXKD của
Công ty


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là Lê Văn Hƣng, học viên cao học lớp 2012b , ngành Kỹ thuật
điện. Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ ‘‘Nghiên cứu bù công suất phản
kháng trên đường dây phân phối 22 kV có phụ tải phân bố đều’’ là công
trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng
đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 10 năm 2014

NGƢỜI CAM ĐOAN

Lê Văn Hƣng


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài. ............................................................................................... 1
2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. .................................................................... 1
3. Nhiệm vụ nghiên cứu. ......................................................................................... 2
CHƢƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI & CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG .
1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu các kết qủa nghiên cứu trong
và ngoài nƣớc đã công bố. .............................................................................. 3
1.2. Các biện pháp nâng cao hiệu quả kinh tế trong vận hành. .............................. 3
1.3. Công suất phản kháng ..................................................................................... 4
1.4. Các nguồn phát công suất phản kháng trong lƣới điện.................................... 6
1.5. Các tiêu chí bù công suất phản kháng trên lƣới điện phân phối. .................. 11
CHƢƠNG 2
BÙ CÔNG SUÂT KHÁNG DÙNG MA TRẬN ZBUS.
2.1. Tính toán bù kinh tế bằng phƣơng pháp ma trận .......................................... 14
2.2. Áp dụng phần mềm Matlab để giải bài toán bù. ............................................ 22
CHƢƠNG 3
BÙ CÔNG SUẤT KHÁNG TRÊN ĐƢỜNG DÂY CÓ PHỤ TẢI PHÂN BỐ
ĐỀU.
3.1. Tổn thất công suất trên một đoạn của phát tuyến phân phối. ........................ 45
3.2. Tổn thất công suất trên đƣờng dây có đặt tụ bù. .......................................... 46
3.3. Giảm tổn thất điện năng khi đặt tụ bù. .......................................................... 47
3.4. Giảm tổn thất điện năng có xét chi phí đặt tụ bù. .......................................... 50

3.5. Bù công suất kháng n vị trí trên đƣờng dây có phụ tải phân bố đều. ............ 54
CHƢƠNG 4
ỨNG DỤNG CÁC PHẦN MỀM ĐỂ GIẢI QUYẾT CÁC BÀI TOÁN BÙ.
4.1. Bù công suất phản kháng trên đƣờng dây có phụ tải phân bố đều. .............. 58
4.2. Phƣơng pháp chọn điểm dừng. ..................................................................... 74
CHƢƠNG 5
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.
5.1. Kết luận. ....................................................................................................... 101
5.2. Kiến nghị. .................................................................................................... 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................102


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.
Cùng với sự phát triển nhanh chóng nền kinh tế của đất nước và khoa học kỹ
thuật, thì ngành điện có ảnh hưởng rất lớn đến nền kinh tế, an ninh chính trị xã hội
của mỗi Quốc gia, Nguồn điện cũng phải được đáp ứng những đòi hỏi về công suất
và chất lượng điện. Vấn đề công suất phát ra phải được đưa đến nơi sử dụng và tận
dụng một cách hiệu quả nhất, không để lãng phí quá nhiều ảnh hưởng đến kinh tế
đó là một bài toán được rất nhiều đề tài nghiên cứu, tổn hao công suất trong truyền
tải điện năng là một vấn đề ảnh hưởng đến chất lượng điện năng và kinh tế; trong
khi đó nhu cầu tiêu thụ điện ngày càng cao, đòi hỏi đáp ứng đủ và kịp thời không
chỉ về số lượng mà cả về chất lượng, người ta đưa ra phương pháp bù công suất
phản kháng, điều chỉnh điện áp hoặc tái cấu trúc lại lưới…
Trong thực tế phụ tải của hệ thống điện giờ cao điểm và thấp điểm lệch nhau
rất lớn, các nhà máy rất hạn chế phát công suất phản kháng, nếu có hệ thống bù
công suất phản kháng thì chỉ là bù tĩnh, thiết bị bù không có cơ cấu tự điều chỉnh
mang lại hệ số công suất cosφ lớn lên cỡ 0,9 điều này cũng dẫn đến những ảnh
hưởng rất lớn vào những giờ thấp điểm có hiện tượng dòng công suất phản kháng

chạy ngược, làm tăng tổn thất và gây quá áp điều này gây hậu quả nghiêm trọng đến
các thiết bị điện, vị trí lắp đặt tụ thường lắp đặt ở những nơi dễ vận hành, không
tính đến hiệu quả kinh tế của thiết bị, vì vậy chưa tận dụng được hiệu quả làm việc
của thiết bị và gây lãng phí trong quá trình đầu tư.
Trước tình hình thực tế trên để khắc phục những nhược điểm đó đề tài đi
“Nghiên cứu bù công suất phản kháng trên đường dây phân phối 22 KV có phụ
tải phân bố đều” góp phần vào nâng cao hiệu quả vận hành kinh tế lưới điện.
2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.
Đối tƣợng nghiên cứu: Nội dung luận văn đi nghiên cứu tính toán xác định vị
trí bù, dung lượng bù trên lưới điện có phụ tải phân bố đều.
Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết các vấn đề kinh tế, kỹ thuật liên
quan đến bù tối ưu công suất phản kháng cho lưới điện phân phối 22 KV.
Trang: 1/102


Nghiên cứu bù công suất phản kháng trên đường dây phân phối 22 kV có phụ tải phân bố đều

3. Nhiệm vụ nghiên cứu.
Đưa ra những giả thuyết để phân tích tình hình tổn thất và sử dung phần mềm
Matlab để tính toán chọn vị trí bù, dung lượng bù tối ưu công suất phản kháng nhằm
giảm tổn thất điện năng...

HV: Lê Văn Hưng

Trang: 2/102


Nghiên cứu bù công suất phản kháng trên đường dây phân phối 22 kV có phụ tải phân bố đều

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

1.1 . TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU, CÁC KẾT QUẢ
NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC ĐÃ CÔNG BỐ.
1.1.1. Tổng quan chung về lƣới điện phân phối [1], [2], [3], [4], [7].
Trong quá trình hình thành và phát triển Việt Năm đã trải qua rất nhiều giai
đoạn và cũng có rất nhiều cấp điện áp khác nhau như cấp 6KV, 10 KV, 15 KV và
22 KV, do nhu cầu phát triển của hệ thống điện đòi hỏi chất lượng điện ngày càng
được nâng cao trước tình hình trên, tập Đoàn Điện lúc Việt Năm đã tiến hành nâng
cấp và thống nhất 01 cấp điện áp là 22 KV để tạo sự thuận lợi trong quá trình vận
hành.
1.1.2. Đặc điểm chung của lƣới điện phân phối [1], [2], [7].
Lưới điện phân phối hiện tại có 02 phần là lưới trung thế và lưới hạ thế, lưới
phân phối thường phân phối trên diện rộng đồng thời vận hành bất đối xứng và tổn
thất cao. Thường thì lưới điện có cấu trúc vòng kín nhưng vận hành hở, hình tia
hoặc xương cá, khi có sự cố phần lưới sau máy cắt sẽ được cô lặp sau khi cô lặp
phần bị sự cố sẽ được đóng điện lại để đảm bảo cung cấp điện được liên tục, đòi hỏi
việc nghiên cứu, thiết kế và vận hành lưới điện rất quan trọng. khi thiết kế xây dựng
lưới phân phối phải đảm bảo các chỉ tiêu như sau:
 An toàn cho lưới điện và cho con người.
 Chi phí xây dựng lưới điện là hiệu quả nhất.


Vận hành dễ dàng, linh hoạt có khả năng phát triển mở rộng trong tương lai.

 Đảm bảo độ tin cậy trong quá trình vận hành, có đường dây dự phòng, cấu trúc
mạch vòng và vận hành hở….


Đảm bảo chất lượng điện năng, ổn định điện áp, ổn định tần số…

 Giảm chi phí vận hành, bảo dưỡng là nhỏ nhất.
1.2 . CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ KINH TẾ TRONG VẬN
HÀNH [1], [2], [7].
Lưới điện phân phối có ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của hệ
thống điện, chính vì vậy việc nghiên cứu đưa ra các giải pháp đế nâng cao hiệu quả
HV: Lê Văn Hưng

Trang: 3/102


Nghiên cứu bù công suất phản kháng trên đường dây phân phối 22 kV có phụ tải phân bố đều

trong quá trình vận hành, đồng thời mang lại những lợi ích lớn, những biện pháp
này mục đích chính là giảm tổn thất điện năng. Để đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế kỹ
thuật trước tiên ta phải quan tâm đến một số bài toán như sau:
 Bài toán điều khiển vận hành nhằm giảm tổn thất, nâng cao chất lượng điện
năng và độ tin cậy cung cấp điện.
 Bài toán đặt thiết bị bù tối ưu nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế cung cấp điện.
Bài toán đặt thiết bị bù tối ưu là một trong những biện pháp kỹ thuật giải quyết
hiệu quả tổng hợp nhất, tuy nhiên bài toán bù công suất phản kháng trong lưới phân
phối rất phức tạp như:
 Cấu trúc lưới phức tạp, trạm trung gian thì có rất nhiều phát tuyến mỗi phát
tuyến có rất nhiều trạm phân phối. Cấu trúc lưới điện ngày càng phát triển liên
tục không ngừng, biểu đồ phụ tải không chính xác.
Trước những khó khăn trên để giải quyết bài toán bù thành những bài toán nhỏ
dựa trên cơ sở lý thuyết bù công suất phản kháng để giải quyết. Luận văn sẽ đi
nghiên cứu về “Nghiên cứu bù công suất phản kháng trên đường dây phân phối 22
kV có phụ tải phân bố đều”.
1.3 . CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG [1], [2], [7].

1.3.1 . Khái niệm về công suất phản kháng.
Xét sự tiêu thụ năng lượng trong một mạch điện đơn giản có tải là điện trở và
điện kháng theo như (hình 1.1).

R

X


I
U
Hình 1.1 Mạch điện RL.

Mạch điện được cung cấp bởi điện áp u= Umsinωt.
Dòng điện I lệch pha với điện áp u một góc φ:

HV: Lê Văn Hưng

Trang: 4/102


Nghiên cứu bù công suất phản kháng trên đường dây phân phối 22 kV có phụ tải phân bố đều

i=Im.sin(ωt-φ) hay i=Im(sinωtcosφ – sinφcosωt)
Có thể coi i = i’ + I”
i’ = Im cosφ . sinωt

Với

i” = Im . sinφcosωt = Im . sinφ.sin(ωt-π/2)

Như vậy dòng điện i là tổng của 2 thành phần:
I’ có biên độ Im . cosφ cùng pha với điện áp u.
I” có biên độ Im . sinφ chậm pha với điện áp một góc π/2.
Công suất tương ứng với 2 thành phần i’ và i” là:
P = U.I.cosφ gọi là công suất tác dụng.
Q = U.I.sinφ gọi là công suất phản kháng.
Từ công thức trên ta có thể viết như sau:

2 R
2
P  U.I.cos  Z.I(I.cos )  Z.I .  R.I
Z

(1.1)

2 X
2
Q  U.I.sin  Z.I(I.sin )  Z.I .  X.I
Z

(1.2)

S2 = P2 + Q2

S
Q
φ

P=S.cosφ
Q = S.sinφ

P
Hình 1.2 quan hệ giữa công suất P & Q.
Công suất phản kháng là thành phần tiêu thụ trên điện cảm hay phát ra trên
tụ điện dung của mạch điện.
1.3.2 . Sự tiêu thụ CSPK.
Trên lưới điện CSPK được tiêu thụ ở động cơ không đồng bộ, máy biến áp,
kháng điện trên đường dây tải điện và ở các phần tử, thiết bị liên quan đến từ
trường.
HV: Lê Văn Hưng

Trang: 5/102


Nghiên cứu bù công suất phản kháng trên đường dây phân phối 22 kV có phụ tải phân bố đều

Yêu cầu vế công suất phản kháng chỉ có thể giảm đến một mức tối thiểu chứ
không thể triệt tiêu hoàn toàn bởi vì nó cần thiết cho việc sử dụng từ trường quay,
yếu tố trung gian cần thiết cho quá trình chuyển hóa điện năng.
1.3.2.1. Động cơ không đồng bộ.
Động cơ không đồng bộ tiêu thụ công suất phản kháng chiếm đến 60 – 65%.
CSPK của động cơ không đồng bộ bao gồm 02 thành phần.
Một phần nhỏ CSPK được sử dụng để sinh ra từ trường tản trong mạch điện sơ
cấp.
Phần lớn CSPK còn lại dùng để sinh ra từ trường quay.
1.3.2.2. Máy biến áp.
Máy biến áp tiêu thụ khoảng 22 đến 25 % nhu cầu CSPK tổng của lưới điện,
nhỏ hơn nhu cầu của các động cơ không đồng bộ do CSPK dùng để từ hóa lõi thép
MBA không lớn hơn so với động cơ không đồng bộ, vì không có khe hở không khí,
nhưng do số lượng lớn nên nhu cầu tổng công suất phản kháng của MBA cũng rất

lớn.
CSPK tiêu thụ bởi MBA gồm 2 thành phần như sau:
-

CSPK dùng để từ hóa lõi thép.

-

CSPK tản từ MBA.

1.3.2.3. Đèn huỳnh quang.
Thông thường các đèn huỳnh quang vận hành có một chấn lưu để hạn chế
dòng điện. Tuy nhiên theo điện cảm của chấn lưu cosφ chưa được hiệu chỉnh cosφ
của chấn lưu nằm trong khoảng 0,3 đến 0,5.
1.4 . CÁC NGUỒN PHÁT CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG LƢỚI
ĐIỆN [1], [2],[3], [7].
Khả năng phát CSPK của các nhà máy điện là rất hạn chế do cosφ của nhà máy
là 0,8 đến 0,9 hoặc cao hơn nữa, hầu hết trong khi chế tao các máy phát không phát
nhiều CSPK cho phụ tải. các máy phát chỉ đảm đương một phần công suất phản
kháng của phụ tải. phần còn lại do các thiết bị bù như máy bù đồng bộ và tụ bù.
1.4.1 Máy bù đồng bộ.

HV: Lê Văn Hưng

Trang: 6/102


Nghiên cứu bù công suất phản kháng trên đường dây phân phối 22 kV có phụ tải phân bố đều

Máy bù đồng bộ là loại máy điện đồng bộ chạy không tải dùng để phát hoặc

tiêu thụ công suất phản kháng. Các máy bù đồng bộ là phương pháp cổ truyền để
điều chỉnh liên tục CSPK. Các máy bù thường được sử dụng trong hệ thống truyền
tải, chẳng hạn ở đầu vào các đường dây tải điện, trong các trạm biến áp quan trọng
và trong các trạm biến đổi dòng điện một chiều cao áp.
Nếu ta tăng dòng kích từ Ikt lên (quá kích thích dòng điện của máy bù đồng bộ
sẽ vượt trước điện áp trên cực của nó một góc 900) thì máy phát ra CSPK Qb phát
lên lưới điện. Ngược lại nếu ta giảm dòng Ikt (kích thích non, Ehơn điện áp một góc 900) thì máy bù sẽ trở thành phụ tải tiêu thụ CSPK. Do đó máy
bù đồng bộ có thể tiêu thụ hoặc phát ra công suất phản kháng.
Các máy bù đồng bộ ngày nay thường được trang bị hệ thống kích từ nhanh có
bộ kích từ chỉnh lưu. Có nhiều phương pháp khởi động khác nhau, như phương
pháp khởi động đảo chiều…
1.4.2 Tụ Điện tĩnh.
Tụ điện tĩnh hay còn gọi là một dãy tụ nối với nhau và nối song song với phụ
tải theo sơ đồ hình sao hay tam giác, với các mục đích sản xuất ra CSPK cung cấp
trực tiếp cho phụ tải, điều này làm giảm CSPK phải truyền tải trên đường dây. Tụ
bù tĩnh cũng được chế tạo không đổi. Khi cần điều chỉnh điện áp có thể dùng tụ
điện bù tĩnh đóng cắt được các cấp, đó là biện pháp kinh tế nhất cho việc sản xuất ra
công suất phản kháng.
Tụ điện làm việc cũng như máy bù đồng bộ làm việc ở chế độ quá kích CSPK
trực tiếp cấp cho hộ tiêu thụ, giảm được lượng công suất phản kháng truyền tải trên
mạng, do đó giảm được tổn thất điện áp.
CSPK do tụ điện phát ra
Được tính theo biểu thức
Qc=U22πfC.10-9 kVAr

(1.3)

Trong đó :
-

U có đơn vị là KV.

-

F là tần số có đơn vị là Hz

-

C là điện dung có đơn vị là µF.

HV: Lê Văn Hưng

Trang: 7/102


Nghiên cứu bù công suất phản kháng trên đường dây phân phối 22 kV có phụ tải phân bố đều

Khi sử dụng tụ điện cần chú ý phải đảm bảo an toàn vận hành, cụ thể khi cắt tụ
ra khỏi lưới phải có điện trở phóng điện để dập điện áp.
Các tụ bù tĩnh được dùng rộng rãi để hiệu chỉnh công suất trong các hệ thống
phân phối điện như: Hệ thống phân phối điện công nghiệp, thành phố, khu đông dân
cư và nông thôn. Một số các tụ bù tĩnh cũng được đặt ở các trạm truyền tải .
Tụ điện là loại thiết bị tĩnh, làm việc với dòng điện vượt trước điện áp. Do đó
có thể sinh ra công suất phản kháng Q cung cấp cho mạng.
 Những ưu điểm của tụ điện:
-

Suất tổn thất công suất tác dụng nhỏ, khoảng (0,003 – 0,005)kW/kVAr.

-

Không có phần quay nên ráp bảo quản dễ dàng.

-

Tụ điện được chế tạo thành từng đơn vị nhỏ, tùy theo sự phát triển của phụ
tải mà người ta có thể sử dụng dung lượng bù hợp lý.

 Nhược điểm của tụ điện.
-

Cung cấp được ít CSPK khi có rối loạn hoặc thiếu điện, bởi vì dung lượng
của của công suất phản kháng tỉ lệ bình phương với điện áp.

Q  X.I

2



U

2
 ωCU

2

1/ωC
-

(1.4)

Tụ điện có cấu tạo kém chắc chắn vì vậy dễ bị phá hủy khi xảy ra ngắn
mạch.

-

Khi điện áp tăng quá 10%Un thì tụ điện dễ bị đánh thủng.

-

Khi đóng tụ điện vào mạng có dòng điện xung khi cắt tụ khỏi mạng, nếu
không có thiết bị phóng điện sẽ có điện áp dư trên tụ.

-

Bù bằng tụ điện sẽ khó khăn trong việc tự động điều chỉnh dung lượng
bù một Cách liên tục.

-

Tụ điện được chế tạo dễ ở cấp điện áp 6-12,7 KV và 0,4 kV. Thông
thường nếu dung lượng bù nhỏ hơn 5 MVAR người ta dùng tụ điện, nếu
còn lớn hơn 5 MVAr thì phải so sánh với máy bù đồng bộ.

1.4.3 Động cơ không đồng bộ.

HV: Lê Văn Hưng

Trang: 8/102


Nghiên cứu bù công suất phản kháng trên đường dây phân phối 22 kV có phụ tải phân bố đều

Khi cho dòng điện một chiều vào dây quấn rotor của động cơ không đồng bộ
thì động cơ đó sẽ làm việc như 01 động cơ đồng bộ và có thể điều khiển dòng kích
từ để nó phát ra.
1.4.1 Ƣu nhƣợc điểm của các nguồn phát công suất phản kháng.
1.4.1.1 Ƣu điểm của tụ điện so với máy bù.
Chi phí bù cho mỗi KVAR của tụ điện rẽ hơn so với máy bù đồng bộ. Ưu
điểm này càng nổi bật khi dung lượng càng tăng.
Giá tiền cho mỗi KVAR tụ điện tĩnh ít phụ thuộc vào công suất đặt và coi
như không đổi, do đó rất thuận tiện cho việc phân chia tụ điện tĩnh ra làm nhiều
nhóm nhỏ, tuỳ vào vị trí cần lắp đặt, trái lại giá tiền mỗi KVA máy bù đồng bộ lại
thay đổi tuỳ theo dung lượng, dung lượng càng nhỏ thì giá tiền càng cao.
Tổn thất công suất tác dụng trên tụ rất nhỏ (0,3 – 0.5)% công suất của chúng,
trong khi đó tổn thất trong máy bù đồng bộ lớn hơn rất nhiều khoảng (1,33 – 3,2)%
công suất định mức.
Tụ điện vận hành đơn giảm, độ tin cậy cao hơn máy bù đồng bộ. Trái lại máy
bù đồng bộ với những bộ phận quay, chuỗi than, dễ gây mòn chuỗi than, dễ bị sự cố
trong lúc vận hành. Trong khi đó lúc vận hành có một tụ điện nào có thể bị hư hỏng
thì số tụ còn lại vẫn tham gia vận hành bình thường . Nếu trong nhà máy khi máy bù
bị hư hỏng sẽ mất toàn bộ dung lượng bù, lúc đó nó sẽ ảnh hưởng rất lớn đế quá
trình vận hành.
1.4.1.2 Nhƣợc điểm của tụ điện so với máy bù đồng bộ.
-

Máy bù đồng bộ điều chỉnh được trơn tương đối dễ dàng, tụ điện chỉ điều chỉnh
được theo từng cấp.

-

Máy bù đồng bộ có thể tiêu thụ hoặc phát ra công suất phản kháng theo một
cách linh hoạt, còn tụ chỉ phát ra CSPK.

-

Các nhược điểm này đang từng bước được các nhà sản xuất tụ khắc phục.

-

Ngày nay trên lưới điện phần lớn là sử dụng tụ điện để bù CSPK.

1.4.1.3 Ý nghĩa của việc bù công suất phản kháng trong lƣới phân phối.
Hầu hết tất cả các thiết bị đều tiêu thụ công suất tác dụng và công suất phản
kháng, sự tiêu thụ này nó sẽ được truyền tải về phía nguồn cung cấp công suất phản
HV: Lê Văn Hưng

Trang: 9/102


Nghiên cứu bù công suất phản kháng trên đường dây phân phối 22 kV có phụ tải phân bố đều

kháng, sự truyền tải này trên dường dây sẽ làm tổn hao lượng công suất và làm
giảm điện áp làm cho lượng công suất biểu kiến tăng lên dẫn đến chi phí để xây
dựng tăng lên, do đó bù CSPK cho lưới điện sẽ có những tích cực như sau:
1.4.1.4 Giảm đƣợc tổn thất công suất trong mạng điện .
Tổn thất công suất trên đường dây được xác định như sau:
2

P 

P Q

2

U2

P2
Q2
R
R
R  P  P
(P)
(Q)
Q2
U2

(

1.5)

Khi giảm Q truyền tải trên dường dây thì giảm được tổn thất công suất ΔP (Q)
do Q gây ra.
1.4.1.5 Giảm đƣợc tổn thất điện áp trong mạng điện .
Tổn thất điện áp trên dường dây được xác định như sau:

U 

PR  QX

U



P
Q
R
X  U
 U
(P)
(Q)
U
U

1.6)

(

Khi giảm Q truyền tải trên dường dây thì giảm được tổn thất điện áp ΔU(Q)
do Q gây ra, từ đó nâng cao được chất lượng điện áp trên lưới.
1.4.1.6 Tăng khả năng truyền tải của đƣờng dây và MBA.
Khả năng truyền tải của đường dây & MBA phụ thuộc vào điều kiện phát
nóng, phụ thuộc vào dòng điện cho phép của chúng. Dòng điện chạy trên dây dẫn
và máy biến áp dược tính như sau:

I 

P 2 Q 2

3U

(

1.7)

Từ công thức trên cho thấy cùng một tình trạng phát nóng nhất định của
đường dây và máy biến áp chúng ta có thể tăng khả năng truyền tải công suất tác
dụng của chúng bằng cách giảm CSPK mà chúng phải tải đi, vì thế vẫn giữ nguyên
đường dây & MBA. Nếu giảm lượng công xuất phản kháng phải truyền tải thì khả
năng truyền tải của chúng sẽ được tăng lên, góp phần làm ổn định điện áp, tăng khả
năng phát điện của máy phát. . .

HV: Lê Văn Hưng

Trang: 10/102


Nghiên cứu bù công suất phản kháng trên đường dây phân phối 22 kV có phụ tải phân bố đều

Bù CSPK sẽ nâng cao hệ số công suất, giảm được chi phí đầu tư, giảm được
chi phí điện năng…
1.5 CÁC TIÊU CHÍ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRÊN LƢỚI ĐIỆN
PHÂN PHỐI [1], [2], [3], [7].
1.5.1 Tiêu chí kỹ thuật.
Đối với các phụ tải trong gia đình hầu như cosφ gần bằng 1, nhưng đối với
các xí nghiệp thì hệ số cosφ rất nhỏ. Hầu hết các xí nghiệp sử dụng động cơ không
đồng bộ rất nhiều. Hệ số công suất phụ thuộc vào điều kiện làm việc.
Dung lượng của động cơ càng lớn thì hệ số công suất càng cao, suất tiêu thụ
CSPK càng nhỏ và ngược lại.

Hệ số công suất phụ thuộc vào tốc độ quay của động cơ tốc độ quay càng cao
thì hệ số công suất cao.
Hệ số công suất của động cơ không đồng bộ phụ thuộc rất nhiều vào hệ số
phụ tải của động cơ khi quay không tải lượng công suất phản kháng cần thiết cho
động cơ không đồng bộ cũng bằng 60-70% lúc tải định mức, công suất phản kháng
Q cần thiết khi phụ tải của động cơ bằng P có thể được tính theo biểu thức sau:
1.5.2 Giảm tổn thất công suất đến giới hạn cho phép.
Công thức tính toán tổn thất.

2
2
P Q
P 
R
2

(1.8)

2
2
P Q
Q 
X
2

(1.9)

U

U

Từ công thức trên cho thấy nếu nâng cao điện áp vận hành của mạng điện
thì ΔP, ΔQ sẽ giảm, nhưng các phụ tải thì có một mức điện áp nhất định do đó phải
làm sao đưa điện áp lên cao và vẩn phải giữ được điện áp ở phía phụ tải là không
đổi.
Tổn thất ΔP, tỉ lệ nghịch với U2 do đó nếu tăng U thì ΔP giảm khá nhanh,
do đó tăng điện áp của mạng thì giảm được tổn thất điện năng.

HV: Lê Văn Hưng

Trang: 11/102


Nghiên cứu bù công suất phản kháng trên đường dây phân phối 22 kV có phụ tải phân bố đều

Nếu điện áp của mạng so với điện áp cũ cao hơn được a% thì tổn thất công
suất sẽ giảm một lượng ΔP bằng .





S2
S2
S2 

1
P  P  P 
R
R

1


 .R
1
2 U2
2
U2  
(1.10)
 
a 
a 2 
U
1

1









  100  
  100  
Giả sử điện áp tăng 5% thì tổn thất công suất trong mạng sẽ giảm được 9%.
Để nâng cao điện áp ta có 3 phương pháp để nâng cao.
-

Thay đổi đầu phân áp của MBA.

-

Nâng cao điện áp của máy phát.

-

Làm giảm tổn hao điện áp bằng cách bù.

Từ 03 phương pháp trên phương pháp bù là hiệu quả nhất.
1.5.3 Tiêu chí kinh tế.
Thực hiện bù kinh tế phải tính toán để đạt được các lợi ích, nếu lợi ích thu
được cho việc lắp đặt thiết bị bù lớn hơn chi phí lắp đặt thì việc bù kinh tế được
thực hiện.
1.5.3.1 Lợi ích khi đặt tụ.
Giảm được công suất tác dụng yêu cầu ở chế độ max của hệ thống điện, do
đó giảm được dự trữ công suất tác dụng.
Giảm nhẹ được tải của MBA trung gian và đường dây trung áp do giảm được
yêu cầu CSPK.
Giảm được tổn thất điện năng.
Cải thiện được chất lượng điện áp trong lưới phân phối.
1.5.3.2 Chi phí khi lắp đặt tụ bù.
Vốn đầu tư và chi phí vận hành cho trạm.
Tổn thất điện năng trong tụ bù.
Khi đặt tụ bù còn có nguy cơ quá áp khi phụ tải min hoặc không tải và nguy
cơ xảy ra cộng hưởng và kích thích ở phụ tải.

HV: Lê Văn Hưng

Trang: 12/102


Nghiên cứu bù công suất phản kháng trên đường dây phân phối 22 kV có phụ tải phân bố đều

Giải bài toán bù CSPK là xác định số lượng trạm bù , vị trí bù , công suất đặt
trên từng vị trí và chế độ làm việc của tụ sao cho làm việc hiệu quả, mang lại hiệu
quả kinh tế.
Bù tập trung trên một số vị trí trên lưới trung áp.
Bù phân tán ở các trạm phân phối hạ áp.
Để giải bài toán bù cần biết rõ cấu trúc lưới phân phối đồ thị phụ tải phản
kháng của các trạm phân phối, phải biết giá cả của thiết bị đồng thời phải đảm bảo
các đặc tính kỹ thuật kinh tế của tụ bù. Phải tính được độ tăng trưởng hàng năm.
Hai phương pháp này có khác nhau nhưng các mô hình này đều có một hàm
mục tiêu chung là chi phí cho bù nhỏ nhất trên cơ sở đảm bảo các điều kiện kỹ thuật
của lưới điện, điện áp trên mọi nút của hệ thống phải nằm trong phạm vi cho phép
và làm sao cho tổn thất công suất là thấp nhất.

HV: Lê Văn Hưng

Trang: 13/102


Nghiên cứu bù công suất phản kháng trên đường dây phân phối 22 kV có phụ tải phân bố đều

CHƢƠNG 2
BÙ CÔNG SUÂT PHẢN KHÁNG DÙNG MA TRẬN ZBUS
2.1. TÍNH TOÁN BÙ KINH TẾ BẰNG PHƢƠNG PHÁP MA TRẬN [1], [2],
[7].

2.1.1 Lý thuyết
Tổn thất công suất trong hệ thống tính theo ma trận Zbus :
P+jQ =

n

n

 I
i 2 j 2

*
i

Z ij I j

(2.1)

Với nút 1 là nút cân bằng và Ii, Ij lần lượt là dòng điện ở nút i và j ( trong
đơn vị tương đối )
Mạch tương đương hình cào dùng để tính tổn thất được vẽ trong Hình 1 .

Hình 2.1
Để biểu diễn dòng điện nút theo công suất nút trước hết cần phân tích
phương trình (2.1) thành phần thực và phần ảo .
n

n

 I i* Z ij I j =

i 2 j 2

n

n

 ( I
i 2 j 2

iRE

 jI iIM )( Rij  jX ij )( I jRE  I jIM )

(2.2 )

Phần thực của (2.2) là P :
n

n

P   ( I iRE Rij I jRE  I iRE X ij I jIM  I iIM X ij I jRE  I iIM Rij I jIM )

( 2.3)

i 2 j 2

Các số hạng thứ hai và thứ ba triệt tiêu lẫn nhau do chúng có các số hạng

HV: Lê Văn Hưng

Trang: 14/102


Nghiên cứu bù công suất phản kháng trên đường dây phân phối 22 kV có phụ tải phân bố đều

giống nhau khi triển khai toàn bộ tổng số . Như vậy :
n

n

P   ( I iRE Rij I jRE  I iIM Rij I jIM )

(2.4)

i 2 j 2

nhưng :
Ii 

Pi  jQi Pi  jQi

(cos  i  j sin  i )
U i*
|Ui |

(2.5)

trong đó I là góc pha của điện áp nút Ui
Ii 

Pi cos  i  Qi sin  i
P sin  i  Qi cos  i
j i
|Ui |
|Ui |

=

IiRE

+j

(2.6)

Ii IM

Phương trình (2.6) cũng được viết tương tự cho dòng điện Ij ở thanh cái j
bằng cách thay i bằng j .
Thay phần thực và phần ảo của phương trình (2.6) vào phương trình ( 2.5) có
được :
 ( Pi cos  i  Qi sin  i )( Pj cos  j  Q j sin  j ) 


n n
|Ui | |U j |


P   Rij



(
P
sin


Q
cos

)(
P
sin


Q
cos

)
i 2 j 2
i
i
i
i
j
j
j
j


|Ui | |U j |



n

n

P  
i 2 j 2

Rij
|Ui | |U j |

(2.7)

[PiPj (cosi cosj + sini sinj )
+ PiQj (sinj cosi - sini cosj )
+ QiPj (sini cosj - sinj cosi )
+ QiQj (sini sinj + cosi cosj )

(2.8)

Áp dụng công thức lượng giác vào phương trình (2.8) có được:
 Rij cos( j   i )

( Pi Pj  Qi Q j ) 

n
n
| Ui | | U j |

P   



R
sin(



)
i 2 j 2
j
i
 ij
( Pi Q j  Qi Pj )
| Ui | | U j |



(2.9)

Gần đúng có thể đơn giản như sau :

HV: Lê Văn Hưng

Trang: 15/102


Nghiên cứu bù công suất phản kháng trên đường dây phân phối 22 kV có phụ tải phân bố đều

 Rij cos( j   i )


P   
( Pi Pj  Qi Q j )
i 2 j 2 
 |Ui | |U j |

n

n

(2.10)

với giả thiết (j - i ) nhỏ có thể biểu diễn gần đúng tiếp theo :
n n 

Rij
P   
( Pi Pj  Qi Q j )
i 2 j 2 

|Ui | |U j |

(2.11)

Từ đó có thể tách riêng thành phần tổn thất công suất tác dụng do công suất
phản kháng gây ra với Ui  Uj  Uđm
 Rij

Pdo Q    2 Qi Q j 
i  2 j  2 U dm


n

n

(2.12)

Biểu thức (2.12) áp dụng được cho đơn vị tương đối và đơn vị có tên.
2.1.2 Các bƣớc tính toán bù kinh tế :
Bước 1 :
Thành lặp ma trận Zbus với thanh cái cân bằng làm chuẩn có được
Zbus = Rbus + j Xbus

(2.13)

Áp dụng phương pháp ráp dần từng nhánh để thành lặp Zbus
Bước 2 : Viết biểu thức tổn thất công suất tác dụng do thành phần công suất phản
kháng qua các nhánh của mạng điện sau khi đặt thiết bị bù tại các nút.
P 

1 n n
(Qi  Qbu,i ) Rij (Q j  Qbu, j )
2 
U dm
i 2 j 2

(2.14)

với Rij là phần tử của ma trận Rbus
Mạch tương đương hình cào dùng để tính tổn thất công suất tác dụng gây ra
do phụ tải phản kháng sau khi bù được vẽ trong Hình 2.2 :

HV: Lê Văn Hưng

Trang: 16/102


Nghiên cứu bù công suất phản kháng trên đường dây phân phối 22 kV có phụ tải phân bố đều

Hình 2.2
Bước 3 : Viết biểu thức đạo hàm riêng :
P
2
 2
Qbu,i
U

n

 RijQ j 
j 2

2
U2

n

R Q
j 2

ij

bu, j

0

(2.15)

Hãy chứng minh biểu thức trên.
Thí dụ với mạng điện có 5 nút với nút 1 là nút cân bằng thì theo (2.14) biểu
thức tổn thất tác dụng do thành phần công suất phản kháng tạo ra là:
P 

=

1
U2

5

5

 (Q
i 2 j 2

i

 Qbu,i ) Rij (Q j  Qbu, j )

(2.16)

1
[(Q2-Qbù,2)R22(Q2-Qbù,2) +
U2

(Q2-Qbù,2)R23(Q3-Qbù,3) +
(Q2-Qbù,2)R24(Q4-Qbù,4) +
(Q2-Qbù,2)R25(Q5-Qbù,5) +
(Q3-Qbù,3)R32(Q2-Qbù,2) +
(Q3-Qbù,3)R33(Q3-Qbù,3) +
(Q3-Qbù,3)R34(Q4-Qbù,4) +
(Q3-Qbù,3)R35(Q5-Qbù,5) +
(Q4-Qbù,4)R42(Q2-Qbù,2) +
(Q4-Qbù,4)R43(Q3-Qbù,3) +
(Q4-Qbù,4)R44(Q4-Qbù,4) +
(Q4-Qbù,4)R45(Q5-Qbù,5) +
(Q5-Qbù,5)R52(Q2-Qbù,2) +
HV: Lê Văn Hưng

Trang: 17/102