Đánh giá các giải pháp nâng cao chất lượng điện và giảm tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối (áp dụng cho đường dây 370 trạm 110KV trình xuyên nam định)

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi, có sử
dụng những kết quả nghiên cứu của nhiều nhà khoa học lớn. Các số liệu, kết quả
tính toán trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công
trình khoa học khác.

Tác giả

Bùi Quốc Thắng

1


LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập và thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp, đến nay tác
giả đã hoàn thành luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện chuyện ngành - Hệ thống điện với
đề tài: “Đánh giá các giải pháp nâng cao chất lượng điện và giảm tổn thất điện
năng trên lưới điện phân phối (áp dụng cho đường dây 370 - trạm 110KV Trình
xuyên Nam Định) ”.
Trước hết, tác giả xin chân thành cảm ơn Viện đào tạo Sau Đại học, Viện
điện, Bộ môn Hệ thống điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ
trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Đinh Quang Huy, người đã
định hướng, chỉ bảo và hết lòng tận tụy, dìu dắt tác giả trong suốt quá trình học tập
và nghiên cứu đề tài.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến những người thân trong gia đình, bạn bè
và đồng nghiệp đã động viên, cổ vũ tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên
cứu khoa học. Nếu không có những sự giúp đỡ này thì chỉ với sự cố gắng của bản
thân tác giả sẽ không thể thu được những kết quả như mong đợi.
Tác giả xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

Bùi Quốc Thắng

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... 2
MỤC LỤC .............................................................................................................. 3
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................... 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................. 7
DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... 9
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 10
CHƯƠNG 1: ......................................................................................................... 12
TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG ................................................ 12
1.1. Khái niệm về chất lượng điện năng ................................................................. 12
1.2. Các tiêu chuẩn về chất lượng điện năng .......................................................... 14
1.2.1. Chất lượng tần số ......................................................................................... 14
1.2.2. Chất lượng điện áp ....................................................................................... 16
CHƯƠNG 2: ......................................................................................................... 22
CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ....................................... 22
TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI ................................................................................. 22
2.1. Nhóm các biện pháp tổ chức quản lý vận hành ............................................... 22
2.2. Nhóm các biện pháp kỹ thuật .......................................................................... 23
2.3. Điều chỉnh điện áp .......................................................................................... 24
2.4. Bù công suất phản kháng ................................................................................ 25
2.4.1. Quan hệ giữa công suất phản kháng và điện áp ............................................ 25
2.4.2. Phương pháp bù công suất phản kháng ........................................................ 26

2.5. Nâng cao chất lượng điện bằng cách khử sóng hài .......................................... 28
2.5.1. Dùng cuộn kháng triệt sóng hài.................................................................... 28
2.5.2. Dùng các mạch lọc....................................................................................... 31
2.6. Đối xứng hóa lưới điện ................................................................................... 32
2.6.1. Đối xứng hóa bằng các phần tử tĩnh ............................................................. 32
2.6.2. Đối xứng hóa bằng máy điện quay ............................................................... 42

3


2.7. Đánh giá các biện pháp nâng cao chất lượng điện trong lưới phân phối .......... 43
CHƯƠNG 3: ......................................................................................................... 46
CÁC GIẢI PHÁP GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG ............................................ 46
TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI....................................................................... 46
3.1. Các biện pháp giảm tổn thất điện năng............................................................ 46
3.1.1. Biện pháp quản lý kinh doanh ...................................................................... 46
3.1.2. Biện pháp kỹ thuật ....................................................................................... 46
3.2. Bài toán tái cấu trúc lưới điện ......................................................................... 47
3.2.1. Phân bố kinh tế công suất trong mạng điện kín. ........................................... 47
3.2.2. Sự cần thiết phải tái cấu trúc lưới điện ......................................................... 50
3.2.3. Hàm mục tiêu của tái cấu trúc lưới............................................................... 52
3.2.4. Phương pháp xác định điểm mở tối ưu ......................................................... 53
3.3. Bài toán bù công suất phản kháng ................................................................... 54
3.3.1. Sự cần thiết của bù công suất phản kháng .................................................... 54
3.3.2. Hàm mục tiêu tổng quát của bài toán bù kinh tế ........................................... 55
3.3.3. Bài toán bù kinh tế theo phương pháp dòng tiền tệ....................................... 59
3.3.4. Hiện tượng quá bù công suất phản kháng ..................................................... 61
3.4. Phối hợp tái cấu trúc lưới điện và bù công suất phản kháng ............................ 63
CHƯƠNG 4: ......................................................................................................... 64
NGHIÊN CỨU GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG BẰNG PHẦN MỀM

PSS/ADEPT TRÊN ĐƯỜNG DÂY 370 - E3.1 ..................................................... 64
LƯỚI ĐIỆN TỈNH NAM ĐỊNH ........................................................................... 64
4.1. Tổng quan lưới điện trung thế Tỉnh Nam Định ............................................... 64
4.1.1. Vị trí địa lý .................................................................................................. 64
4.1.2. Tổng quan lưới điện trung thế ...................................................................... 65
4.1.3. Kết quả sản xuất kinh doanh trong các năm 2010 đến 2013 ......................... 65
4.1.4. Thành phần phụ tải ...................................................................................... 66
4.1.5. Đường dây 370 - Trạm 110kV Trình Xuyên Nam Định ............................... 67
4.2. Xây dựng sơ đồ tính toán ................................................................................ 67

4


4.2.1. Thiết lập các thống số của đường dây và máy biến áp .................................. 69
4.2.2. Bài toán tái cấu trúc lưới điện (TOPO)......................................................... 71
4.2.3. Bài toán bù công suất phản kháng (CAPO) .................................................. 73
4.3. Bài toán phân bố công suất ở phương thức vận hành hiện tại .......................... 78
4.3.1. Xây dựng đồ thị phụ tải lộ đường dây 370-E3.1 ........................................... 78
4.3.2. Kết quả phân bố công suất ở chế độ vận hành hiện tại ................................. 80
4.4. Bài toán 1: Bù công suất phản kháng cho cấu trúc lưới điện hiện tại ............... 80
4.4.1. Xác định vị trí và dung lượng bù tại thời điểm thấp điểm ............................. 80
4.4.2. Xác định vị trí và dung lượng bù tại thời điểm cao điểm .............................. 82
4.5. Bài toán 2: Tái cấu trúc lưới điện kết hợp bù công suất phản kháng ................ 84
4.5.1. Tái cấu trúc lưới điện lựa chọn phương thức vận hành tối ưu ....................... 84
4.5.2. Bù công suất phản kháng (CAPO) cho phương thức vận hành tối ưu .......... 85
4.6. Kết luận .......................................................................................................... 87
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 90
PHỤ LỤC 1........................................................................................................... 91

5


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CCĐ

:

Cung cấp điện

CLĐA

:

Chất lượng điện áp

CLĐN

:

Chất lượng điện năng

CSPK

:

Công suất phản kháng

CSTD

:

Công suất tác dụng

ĐADT

:

Điện áp dưới tải

ĐCĐA

:

Điều chỉnh điện áp

ĐCĐB

:

Động cơ đồng bộ

ĐCKĐB

:

Động cơ không đồng bộ

HTĐ

:

Hệ thống điện

LPP

:

Lưới phân phối

MBA

:

Máy biến áp

TCTĐL

:

Tổng Công ty Điện lực

TTN

:

Thứ tự nghịch

TTT

:

Thứ tự thuận

6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Sự biến đổi đặc tính momen của động cơ điện không đồng bộ ............... 19
Hình 1.2: Đồ thị thời gian phục vụ của đèn và quang thông ................................... 20
Hình 1.3: Sự ảnh hưởng của điện áp đối với công suất .......................................... 21
Hình 2.1: Hiệu quả của bù dọc............................................................................... 27
Hình 2.2: Sơ đồ đơn tuyến và sơ đồ tương đương LC ............................................ 29
Hình 2.3: Tổng trở của mạng điện khi lắp cuộn cảm triệt hài. ................................ 30
Hình 2.4: Mạch lọc thụ động. ................................................................................ 31
Hình 2.5: Phụ tải ba pha không đối xứng nối tam giác ........................................... 34
Hình 2.6: Phụ tải ba pha không đối xứng nối sao ................................................... 35
Hình 2.7: Mô hình hóa phụ tải 3 pha không đối xứng bất kỳ.................................. 36
Hình 2.8: Sơ đồ đối xứng hóa một phần tử ............................................................ 38
Hình 2.9: Thiết bị đối xứng hai phần tử ................................................................. 39
Hình 2.10: Sơ đồ đối xứng hóa ba phần tử ............................................................. 41
Hình 3.1: Sự phân bổ công suất trong mạng kín..................................................... 48
Hình 3.2: Lưới điện kín vận hành hở ..................................................................... 51
Hình 4.1: Thành phần phụ tải tỉnh Nam Định ........................................................ 66
Hình 4.2: Sơ đồ lưới điện đường dây 370 – E3.1 trên nền PSS/ADEPT ................. 68
Hình 4.3: Thư viện thiết lập ................................................................................... 69
Hình 4.4: Thẻ thiết lập thông số đường dây ........................................................... 69
Hình 4.5: Thẻ thiết lập thông số MBA ................................................................... 69
Hình 4.6: Cửa sổ khai báo tham số lưới điện ......................................................... 70
Hình 4.7: Công cụ thiết lập sơ đồ lưới điện............................................................ 70

Hình 4.8: Giao diện hiển thị trào lưu công suất ...................................................... 71
Hình 4.9: Thuật toán xác định điểm mở tối ưu TOPO ............................................ 72
Hình 4.10: Lưu đồ thuật toán bù công suất phản kháng ......................................... 73
Hình 4.11: Các tùy chọn trong hộp thoại CAPO .................................................... 74
Hình 4.12: Các chỉ tiêu kinh tế ............................................................................. 76

7


Hình 4.13: Đồ thị phụ tải ngày điển hình của lộ 370-E3.1...................................... 78
Hình 4.14: Thẻ phân loại phụ tải............................................................................ 79
Hình 4.15: Thẻ xây dựng đồ thị phụ tải.................................................................. 79

8


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4.1: Kết quả hoạt động sản xuất kinh doanh từ năm 2010-2013 .................... 66
Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật TBA 110 kV - E3.1 Vụ Bản ..................................... 67
Bảng 4.3: Thiết lập thông số kinh tế cho bài toán CAPO ....................................... 77
Bảng 4.4: Phương thức vận hành hiện tại............................................................... 80
Bảng 4.5: Công suất và tổn thất công suất ở phương thức vận hành hiện tại .......... 80
Bảng 4.6: Kết quả phân tích thông số vận hành lưới điện tại thời điểm thấp điểm . 81
Bảng 4.7: Dung lượng bù trung áp tại các nút cho cấu trúc lưới điện hiện tại......... 83
trong chế độ vận hành cực đại ............................................................................... 83
Bảng 4.8: Độ giảm tổn thất công suất sau CAPO cho bài toán 1, chế độ cực đại.... 83
Bảng 4.9: Phương thức vận hành cơ bản tối ưu ...................................................... 84
Bảng 4.10: Công suất và tổn thất công suất ở phương thức vận hành tối ưu ........... 85
Bảng 4.11: Dung lượng bù trung áp tại các nút, chế độ cực đại.............................. 85
Bảng 4.12: Phân bố công suất sau khi bù trung áp ................................................. 86

Bảng 4.13: Tổn thất công suất sau TOPO, CAPO chế độ cực đại........................... 86
Bảng 4.14: Tổn thất công suất sau TOPO, CAPO chế độ cực tiểu ......................... 86
Bảng 4.15: So sánh độ giảm tổn thất điện năng giữa 2 bài toán.............................. 87

9


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Xã hội càng phát triển thì nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng tăng. Do đó
đòi hỏi ngành điện phải đảm bảo cung cấp điện cho khách hàng ngày càng tốt hơn.
Không chỉ đảm bảo tính liên tục cung cấp điện mà điện năng được cung cấp phải
đảm bảo chất lượng.
Sau khi Việt Nam gia nhập WTO, các nhà đầu tư nước ngoài đã đầu tư vào
Việt Nam ở nhiều lĩnh vực, chủ yếu là công nghiệp nên nhu cầu cung cấp điện với
chất lượng cao là nhiệm vụ thiết yếu của ngành điện.
Do đó việc nâng cao chất lượng điện đặc biệt là trong lưới điện phân phối
mang một ý nghĩa chiến lược và cần sự phối hợp nhận thức của toàn xã hội.
Trước những yêu cầu đó ngoài việc mở rộng, phát triển nguồn điện thì vấn
đề nghiên cứu, đưa ra các giải pháp đảm bảo các thông số chất lượng điện, giảm tổn
thất điện năng là một vấn đề cấp bách hiện nay.
2. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn
Do tầm quan trọng của việc đảm bảo chất lượng điện năng, trong phạm vi
của đề tài này để nghiên cứu các chỉ tiêu đặc trưng cho chất lượng điện năng trong
lưới điện phân phối như: điện áp ở nút phụ tải, tổn thất công suất và điện năng trên
lưới điện, độ tin cậy cung cấp điện đối với hộ tiêu thụ… nguyên nhân làm giảm chất
lượng điện năng, từ đó phân tích, tìm ra những giải pháp nâng cao chất lượng điện
năng, giảm tổn thất điện năng đối với lưới điện phân phối.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng của lưới phân phối

nói chung và ứng dụng vào một xuất tuyến của lưới phân phối Nam Định.
Tác giả tập đi trung nghiên cứu 2 phương pháp: tái cấu trúc lưới và bù công
suất phản kháng nhằm giải quyết bài toán giảm tổn thất điện năng đang đặt ra với
ngành điện

10


Đồng thời luận văn ứng dụng một số Option của phần mềm PSS/ADEPT để
giải bài toán giảm tổn thất điện năng trên lưới điện cụ thể nhằm minh chứng cho các
luận điểm nghiên cứu.
4. Ý nghĩa khoa học và thực hiện
Trong thời đại Công nghiệp hóa - Hiện đại hóa, năng lượng là nguồn lực chủ
yếu của sự phát triển kinh tế và xã hội. Trong đó điện năng đóng vai trò cực kỳ quan
trọng, là nguồn năng lượng được sử dụng rất rộng rãi trong mọi hoạt động của con
người.
Trong quá trình truyền tải điện năng từ nới sản xuất đến nới tiêu thụ lượng
điện năng tổn thất rất lớn… Các khảo sát gần đây cho thấy tổn thất trong truyền tải
và phân phối trong một số lưới điện có thể lớn hơn 10% tổng sản lượng điện năng.
Chất lượng điện áp ở một số nút trong lưới điện không đáp ứng tiêu chuẩn, độ tin
cậy cung cấp điện rất thấp… Bài toán chất lượng điện năng là bài toán khó của
ngành điện. Nhất là trước tình hình thực tế như hiện nay, công nghiệp sử dụng điện
ngày càng tăng, lượng điện năng sản xuất không đáp ứng đủ nhu cầu, tình hình
thiếu điện năng ngày càng trầm trọng nhất là vào mùa khô. Do đó, nếu nâng cao
được chất lượng điện năng để hệ thống điện hoạt động hiệu quả hơn sẽ góp phần
tích cực đưa nền kinh tế đất nước phát triển bền vững.
5. Nội dung chính của luận văn: gồm 04 chương
Chương 1: Tổng quan về chất lượng điện năng.
Chương 2: Các biện pháp nâng cao chất lượng điện trong lưới phân phối.
Chương 3: Các giải pháp giảm tổn thất điện năng trong lưới điện phân phối.

Chương 4: Nghiên cứu giảm tổn thất điện năng bằng phần mềm PSS/ADEPT
trên đường dây 370 - E3.1 lưới điện tỉnh Nam Định.

11


CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG
1.1. Khái niệm về chất lượng điện năng
Điện năng được tạo ra từ sự biến đổi các dạng năng lượng khác nhau như:
thế năng, động năng, nhiệt năng, quang năng, hóa năng… Sự chuyển đổi này được
thực hiện thông qua các nhà máy phát điện. Trước khi truyền năng lượng điện đến
các hộ tiêu thụ thông qua hệ thống truyền tải phức tạp mà điểm bắt đầu là nhà máy
điện, điện năng đã bị thay đổi đặc tính cho phù hợp. Đó là sự thay đổi các thông số
cơ bản như điện áp, dòng điện, tần số.
Định nghĩa về chất lượng điện năng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống
điện. Sự gia tăng ứng dụng của các thiết bị điện tử và các máy phát phân phối đã
làm tăng sự quan tâm đến chất lượng điện năng trong những năm gần đây. Đảm bảo
chất lượng điện năng là phải đảm bảo ổn định về điện áp và tần số. Chỉ cần một
trong các yếu tố trên không đảm bảo, chất lượng điện năng sẽ không đảm bảo.
Hệ thống điện Việt Nam gồm có các nhà máy điện, các lưới điện, các hộ tiêu
thụ được liên kết với nhau thành một hệ thống để thực hiện 4 quá trình sản xuất,
truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng trong lãnh thổ Việt Nam. Hệ thống điện
Việt Nam có nhiều cấp điện áp định mức khác nhau: 500kV, 220kV, 110kV, 64kV,
35kV, 22kV, 15kV, 10kV, 6kV, 0.4kV với tần số định mức là 50Hz. Trong khi tần
số là đại lượng mang tính hệ thống thì điện áp lại không đồng nhất tại các điểm
khác nhau trong hệ thống. Trong cùng một cấp điện áp, điện áp ở xa nguồn thường
có giá trị nhỏ hơn ở những điểm gần nguồn do tồn tại tổn thất điện áp trong mạng
điện. Các thiết bị dùng điện đều được thiết kế để làm việc với giá trị tần số định
mức của Hệ thống điện và giá trị điện áp định mức thường bằng hoặc lân cận giá trị

định mức của một cấp điện áp phân phối nào đó. Nếu thiết bị dùng điện được cung
cấp ở tần số định mức của hệ thống điện và với điện áp định mức của thiết bị đó thì
chất lượng điện năng sẽ được đảm bảo.
Chất lượng điện năng được xem là đảm bảo nếu tần số và điện áp biến đổi
trong phạm vi cho phép quanh giá trị định mức vì dao động về tần số có thể do

12


những dao động hay nhiễu loạn của hệ thống trong quá trình vận hành. Phạm vi này
được quy định trên cơ sở đảm bảo điều kiện làm việc bình thường của thiết bị dùng
điện và các tiêu chuẩn về độ lệch điện áp và tần số. Khi các giá trị thực tế của điện
áp và tần số vượt ra ngoài độ lệch cho phép phải tiến hành các biện pháp điều chỉnh.
Các chỉ tiêu chất lượng điện năng liên quan chặt chẽ với sự cân bằng công
suất tác dụng P và công suất phản kháng Q trong hệ thống điện.
Có thể tăng thêm nguồn công suất phản kháng Q bằng các thiết bị bù hoặc
phân bố lại công suất phản kháng Q, khi trong hệ thống điện có hiện tượng thừa cục
bộ.
Việc điều chỉnh điện áp trong mạng điện rất phức tạp. Mỗi mức cân bằng P
và Q trong hệ thống điện xác định một giá trị của tần số và điện áp. Khi sự cân bằng
bị phá vỡ tần số và điện áp sẽ biến đổi cho đến khi xác lập sự cân bằng mới, ứng với
các giá trị xác lập mới của tần số và điện áp.
Quá trình biến đổi của công suất và các chỉ tiêu chất lượng điện năng khi cân
bằng công suất bị phá hoại xảy ra rất phức tạp vì giữa chúng có quan hệ tương hỗ.
Vì thế để giải quyết các vấn đề thực tế phải đưa ra những điều kiện lý tưởng hóa
làm đơn giản bài toán. Những điều kiện đó là sự thay đổi cân bằng công suất P ảnh
hưởng chủ yếu đến tần số, còn sự cân bằng công suất Q ảnh hưởng chủ yếu đến
điện áp.
Điều kiện cần thiết để có điều kiện điều chỉnh được tần số và điện áp là trong
hệ thống điện phải có đủ công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q để đáp

ứng nhu cầu luôn biến đổi của phụ tải và bù vào tổn thất trong quá trình sản xuất và
truyền tải điện năng.
Điều chỉnh tần số có thể thực hiện tập trung ở bất kỳ nhà máy điện nào,
ngược nào điều chỉnh điện áp không thể tiến hành tập trung mà phải thực hiện ở chỗ
thiếu công suất phản kháng Q.
Điều chỉnh điện áp có thể thay đổi cân bằng công suất tác dụng P và cân
bằng công suất phản kháng Q nhưng chủ yếu được thực hiện bằng cách thay đổi cân
bằng công suất phản kháng Q.

13


1.2. Các tiêu chuẩn về chất lượng điện năng
1.2.1. Chất lượng tần số
Tần số là một trong những tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng điện năng. Tốc
độ quay và năng suất làm việc của các động cơ đồng bộ và không đồng bộ phụ
thuộc vào tần số của dòng điện xoay chiều. Khi tần số giảm thì năng suất của chúng
cũng bị giảm thấp. Tần số tăng cao dẫn đến sự tiêu hao năng lượng quá mức. Do
vậy và do một số nguyên nhân khác, tần số luôn được giữ ở định mức.
1.2.1.1. Độ lệch tần số
Độ lệch tần số so với tần số định mức:
f 

f  f dm
100%
f dm

(1.1)

Độ lệch tần số phải nằm trong giới hạn cho phép

fmin  f  fmax

(1.2)

Tần số phải luôn nằm trong giới hạn cho phép
fmin  f  fmax
Trong đó:

(1.3)

fmin = fđm - fmin
fmax = fđm + fmax

1.2.1.2. Độ dao động tần số
Độ dao động tần số đặc trưng bởi độ lệch giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất
của tần số khi tần số biến thiên nhanh với tốc độ lớn hơn 0,1%. Độ dao động tần số
không được lớn hơn giá trị cho phép.
Đối với hệ thống điện Việt Nam, trị số định mức của tần số được quy định là
50Hz. Độ lệch cho phép khỏi trị số định mức là  0,1Hz.
1.2.1.3. Biện pháp giữ ổn định tần số
Tần số là một trong những tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng điện năng. Tốc
độ quay và năng suất làm việc của các động cơ đồng bộ và không đồng bộ phụ
thuộc vào tần số của dòng xoay chiều. Khi tần số giảm thì năng suất của chúng cũng
bị giảm thấp. Tấn số tăng cao dẫn đến sự tiêu hao năng lượng quá mức.

14


Khi có sự cân bằng công suất thì tần số được giữ không đổi. Nhưng vào mỗi
thời điểm tùy thuộc số lượng hộ tiêu thụ được nối vào và tải của chúng, phụ tải của

hệ thống điện liên tục thay đổi làm phá hủy sự cân bằng công suất và làm tần số
luôn biến động. Để duy trì tần số định mức trong hệ thống điện yêu cầu phải thay
đổi công suất tác dụng một cách tương ứng và kịp thời.
Như vậy vấn đề điều chỉnh tần số liên quan chặt chẽ với điều chỉnh và phân
phối công suất tác dụng giữa các tổ máy phát và giữa các nhà máy điện. Tần số
được điều chỉnh bằng cách thay đổi lượng hơi hoặc nước đưa vào tuốc-bin. Khi thay
đổi lượng hơi hoặc nước vào tuốc-bin, công suất tác dụng của máy phát cũng thay
đổi.
Khi xảy ra sự thiếu hụt công suất tác dụng làm giảm thấp tần số trong hệ
thống điện, nếu còn công suất tác dụng dự trữ thì hệ thống điều chỉnh tần số và công
suất đã xét ở trên sẽ hoạt động để duy trì được mức tần số định trước. Tuy nhiên,
sau khi huy động toàn bộ công suất tác dụng dự trữ có thể có trong hệ thống điện
nếu tần số vẫn không được khôi phục, thì biện pháp duy nhất có thể áp dụng lúc ấy
là cắt bớt một số phụ tải ít quan trọng nhất. Vì vậy để giữ ổn định tần số thì nguồn
phát phải có độ dự trữ công suất đủ lớn trong hệ thống, các nhà máy điện đã trang bị
các hệ thống tự động điều chỉnh tần số rất nhanh khi xảy ra sự thiếu hụt công suất
tác dụng làm giảm thấp tần số trong hệ thống điện.
Về phương diện quản lý của các Công ty Điện lực, để giữ ổn định tần số thì
biện pháp tăng cao độ dự trữ công suất tác dụng của nguồn phát đồng nghĩa là giảm
tổn thất công suất tác dụng trên lưới điện xuống mức thấp nhất. Vì vậy, trong lưới
điện phân phối để nâng cao chất lượng điện năng qua chỉ tiêu tần số thì biện pháp
giảm tổn thất công suất được áp dụng. Để giảm tổn thất công suất thì bài toán tái
cấu trúc lưới điện và bù công suất phản kháng được lựa chọn nghiên cứu trong luận
văn.

15


1.2.2. Chất lượng điện áp
1.2.2.1. Tiêu chuẩn điện áp

Duy trì điện áp định mức là một trong những yêu cầu cơ bản để đảm bảo chất
lượng điện năng của hệ thống điện. Chất lượng điện năng được đặc trưng bằng các
giá trị quy định của điện áp và tần số trong hệ thống điện. Chất lượng điện năng ảnh
hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của các thiết bị dùng điện. Các thiết bị dùng
điện chỉ có thể làm việc với hiệu quả tốt trong trường hợp điện năng có chất lượng
điện năng cao. Tần số của dòng điện được điều khiển trong phạm vi toàn hệ thống.
Các chỉ tiêu chính của chất lượng điện áp là độ lệch điện áp, dao động điện áp, sự
không đối xứng, độ không hình sin của đường cong điện áp và độ không cân bằng.
a) Độ lệch điện áp U
- Độ lệch điện áp tại một điểm trong hệ thống cung cấp điện là độ chênh lệch
giữa điện áp thực tế Ut và điện áp định mức Uđm với điều kiện là tốc độ biến thiên
của điện áp nhỏ hơn 1% Uđm/s, được tính như sau:

U 

U t  U đm
.100%
U đm

(1.4)

- Độ lệch cho phép Ucp%
- Trên cực của các thiết bị chiếu sáng từ -2,5  5%
- Trên các cực của động cơ, các thiết bị mở máy từ -5  10%
- Trên các thiết bị còn lại từ -5  5%
- Trong các trạng thái sự cố, cho phép tăng giới hạn trên thêm 2,5% và giảm
giới hạn dưới thêm 5%.
Điều chỉnh điện áp theo độ lệch
Chất lượng điện năng của hệ thống điện chủ yếu là tần số và điện áp. Khi
đảm bảo sự cân bằng giữa công suất phát từ các nguồn điện và nhu cầu phụ tải, chế

độ làm việc ổn định của hệ thống điện được xác lập. Điều đó được thể hiện bởi các
giá trị duy trì của tần số trong hệ thống và điện áp tại các nút chủ yếu của mạng điện
cao áp và đây cũng là hai trong tập thông số trạng thái của hệ thống điện.

16


Tần số là một thông số có tính chất hệ thống. Ngược lại việc quản lý chất
lượng điện áp về nguyên tắc phải được thực hiện phân tán và theo nhiều cấp khác
nhau trong mạng điện nhằm đạt các chỉ tiêu về độ lệch tuyệt đối so với giá trị điện
áp yêu cầu, về khoảng thời gian xảy ra độ lệch, về hậu quả của độ lệch. Nghĩa là
đây cần đánh giá sự kiện sai lệch về chất lượng điện áp trong không gian 3 chiều:
chiều rộng của cường độ, chiều dài của thời gian (còn gọi là đánh giá tích phân) và
chiều sâu của hiệu quả (thiệt hại kinh tế). Tuy nhiên những chỉ tiêu trên đây được
thực hiện trong những ràng buộc cụ thể về cấu trúc hệ thống, khả năng thiết bị, vốn
đầu tư…
Điều chỉnh điện áp theo độ lệch là nhằm đảm bảo sao cho độ lệch điện áp so
với điện áp định mức ở tất cả các thiết bị dùng điện nằm trong phạm vi cho phép.
Chất lượng điện áp phải được đảm bảo ở mạng điện hạ áp phía sau TPP, và
phải được đảm bảo trên cực các thiết bị dùng điện sử dụng điện áp cao hơn nếu có.
b) Dao động điện áp dU
- Dao động điện áp là sự biến thiên của điện áp xảy ra trong khoảng thời gian
tương đối ngắn. Phụ tải chịu ảnh hưởng của dao động điện áp không những về biên
độ dao động mà cả về tần số xuất hiện của dao động đó.
- Nguyên nhân chủ yếu là do mở máy các động cơ lớn, ngắn mạch trong hệ
thống điện, các phụ tải lớn làm việc đòi hỏi sự đột biến về tiêu thụ công suất tác
dụng và phản kháng, các lò điện hồ quang, các máy hàn, các máy cán thép cỡ lớn…
thường gây ra dao động điện áp.
dU =

Trong đó:

U max  U min
.100%
U đm

Umax : điện áp hiệu dụng lớn nhất
Umin : điện áp hiệu dụng nhỏ nhất
Uđm : điện áp danh định

- Tiêu chuẩn quy định:
+ Tần suất xuất hiện 2 – 3 lần/ giờ thì

dU = 3  5% Uđm

+ Tần suất xuất hiện 2 – 3 lần/ phút thì

dU = 1  1,5% Uđm

17

(1.5)


+ Tần suất xuất hiện 2 – 3 lần/ giây thì

dU = 0, 5% Uđm

c) Độ không đối xứng K2
- Xuất hiện khi có điện áp thứ tự nghịch (TTN).

- Khi điện áp TTN lớn thì độ không đối xứng cao.
- Độ không đối xứng K2:
.

K2 

với

.

.

UA  a 2 UB  a UC

U2
3U đm

.100% 

3U đm

.100%

(1.6)

U2: điện áp TTN ở tần số cơ bản.
o
1
3
a = e j120    j

2
2

- K2  1% thì xem là đối xứng.
d) Độ không hình sin Kks
K ks 

U 
U1

.100%

(1.7)



Với

U  

U

2
λ

λ 2

- Kks  5% thì xem là hình sin.
1.2.2.2. Ảnh hưởng điện áp đến sự làm việc của phụ tải
Hệ thống điện cần phải đảm bảo cung cấp cho các hộ tiêu thụ điện năng có

chất lượng. Nếu chất lượng điện năng vượt ra ngoài giới hạn quy định thì thiết bị
điện có thể sẽ bị sự cố hư hỏng, giảm tuổi thọ hoặc làm việc kém hiệu quả và không
kinh tế. Sau đây ta xét ảnh hưởng của điện áp đến sự làm việc của các phụ tải thông
dụng trong thực tế như sau:
a) Đối với động cơ
- Moment của động cơ không đồng bộ tỉ lệ thuận với bình phương điện áp U
đặt vào động cơ.
- Đối với động cơ đồng bộ, khi điện áp thay đổi làm cho moment quay thay
đổi, khả năng phát công suất phản kháng của máy phát và máy bù đồng bộ giảm đi

18


khi điện áp giảm quá 5% so với định mức, vì các máy phát và máy bù đồng bộ được
thiết kế để giữ nguyên khả năng phát công suất phản kháng khi điện áp thay đổi ít.
- Hình (1.1) biểu diễn sự thay đổi đặc tính moment của động cơ điện không
đồng bộ khi điện áp thay đổi.
M

U > Unm
U = Uđm

U < Unm

s
0

Sth

1

Hình 1.1: Sự biến đổi đặc tính momen của động cơ điện không đồng bộ
b) Đối với các thiết bị chiếu sáng
Các thiết bị chiếu sáng rất nhạy cảm với điện áp, khi điện áp giảm 2,5% thì
quang thông của đèn dây tóc giảm 9%, đối với đèn huỳnh quang khi điện áp tăng
10% thì tuổi thọ của nó giảm 20% - 25%, với các đèn có khí khi điện áp giảm
xuống quả 20% định mức thì nó sẽ tắt và nếu duy trì độ tăng điện áp kéo dài thì nó
có thể cháy bóng đèn. Đối với đèn hình, khi điện áp nhỏ hơn 95% điện áp định mức
thì chất lượng hình ảnh bị méo mó. Các đài phát hoặc thu vô tuyến, các thiết bị liên
lực bưu điện, các thiết bị tự động hóa rất nhạy cảm với sự thay đổi của điện áp.
Chính vì thế độ lệch điện áp cho phép đối với các thiết bị chiếu sáng và điện tử
được quy định nhỏ hơn so với các thiết bị điện khác.

19


Hình 1.2: Đồ thị thời gian phục vụ của đèn và quang thông
c) Các dụng cụ đốt nóng, các bếp điện trở
- Công suất tiêu thụ đối với các thiết bị 1 pha là:
2

P =I R =

U 2p

(1.8)

R

- Còn đối với hệ thống tiêu thụ 3 pha:

2

P =3I R = 3

Trong đó:

U 2p
R

(1.9)

Up: điện áp pha
R: điện trở

- Như vậy công suất tiêu thụ trong các phụ tải loại này sẽ tỉ lệ với bình
phương của điện áp đặt vào. Khi điện áp giảm, hiệu quả của các phần tử đốt nóng sẽ
giảm xuống rõ rệt. Đối với lò điện, sự biến đổi điện áp ảnh hưởng nhiều đến đặc
tính kinh tế kỹ thuật của chúng. Khi điện áp ở lò luyện kim giảm từ 10% - 15%
thành phẩm có thể giảm từ 15% - 20% do hư hỏng và do bị kéo dài thời gian luyện
kim.
d) Đối với nút phụ tải tổng hợp
- Khi thay đổi điện áp ở nút phụ tải tổng hợp bao gồm các phụ tải thành phần
thì công suất tác dụng và phản kháng do nó sử dụng cũng biến đổi theo đường đặc
tính tĩnh của phụ tải (hình 1.3).

20


- Từ (hình 1.3) ta thấy công suất tác dụng ít chịu ảnh hưởng của điện áp so
với công suất phản kháng. Khi điện áp giảm thì công suất tác dụng và công suất

phản kháng đều giảm. đến một giá trị điện áp giới hạn Ugh nào đó, nếu điện áp tiếp
tục giảm thì công suất phản kháng tiêu thụ tăng lên hậu quả sẽ làm cho điện áp lại
càng giảm và phụ tải ngừng làm việc (hiện tượng này gọi là hiện tượng Tháp điện
áp có thể xảy ra với một nút phụ tải hoặc toàn bộ hệ thống điện khi điện áp giảm
xuống 70% - 80% so với điện áp định mức ở nút phụ tải). Đây là một sự cố vô cùng
nguy hiểm cần phải tiên đoán để tìm biện pháp ngăn chặn kịp thời.
P,Q

Q
P

U
O

Ugh

Uđm

Hình 1.3: Sự ảnh hưởng của điện áp đối với công suất
e) Đối với hệ thống điện
- Sự biến đổi điện áp ảnh hưởng đến các đặc tính kỹ thuật của bản thân hệ
thống điện:
+ Điện áp giảm sẽ làm giảm công suất phản kháng do máy phát điện và các
thiết bị bù sinh ra.
+ Đối với máy biến áp, khi điện áp tăng, làm tăng tổn thất không tải, tăng độ
cảm ứng từ trong lõi thép và có thể dẫn đến nguy hiểm do máy phát nóng cục bộ,
khi điện áp tăng quá cao sẽ chọc thủng cách điện.
+ Đối với đường dây, điện áp tăng cao làm tăng công suất vầng quang ở các
đường dây siêu cao áp.

21


CHƯƠNG 2:
CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN
TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI
Do lưới điện phân phối ở nước ta có nhiều cấp điện áp khác nhau và phương
thức cấp điện phức tạp cho nên việc đưa ra một biện pháp để nâng cao chất lượng
điện cần được tính toán phân tích kỹ lưỡng cả về hai mặt là đáp ứng về kỹ thuật và
hiệu quả về kinh tế. Với những đặc trưng của mạng điện phân phối chúng ta có thể
phân ra 2 nhóm biện pháp chính để nâng cao chất lượng điện:
2.1. Nhóm các biện pháp tổ chức quản lý vận hành
Các biện pháp tổ chức quản lý vận hành không đòi hỏi chi phí lớn. Nhưng
yêu cầu người thực hiện phải hiểu rõ về sơ đồ và tình trạng làm việc của lưới điện
vận hành. Nhóm này bao gồm các biện pháp chính sau:
1. Phân bố phụ tải hợp lý:
Việc phân bố phụ tải hợp lý sẽ làm san bằng đồ thị phụ tải, giảm sự chênh
lệch phụ tải và hao tổn điện áp tại hai thời điểm phụ tải cực đại và cực tiểu, dẫn đến
giảm chênh lệch về độ lệch điện áp tại hai thời điểm này. Như vậy sẽ làm giảm
khoảng giới hạn của độ lệch điện áp và nâng cao hiệu suất sử dụng của lưới điện.
2. Chọn sơ đồ cấp điện hợp lý:
Sơ đồ cung cấp điện hợp lý nhằm giảm tối đa các thông số R, X trong lưới
điện, làm giảm tối đa hao tổn điện áp dẫn đến giảm độ lệch điện áp tại các nút của
lưới điện.
Hoàn thiện cấu trúc lưới để vận hành với tổn thất nhỏ nhất. Vấn đề này đòi
hỏi vốn đầu tư, tuy nhiên phụ thuộc vào địa hình và mật độ phụ tải của lưới. Nói
chung đây là giải pháp khó đạt hiệu quả cao đối với những tuyến dây hiện hữu, chỉ
thực hiện có hiệu quả với những tuyến dây mới, đang trong giai đoạn đầu tư.
3. Chọn điện áp ở đầu vào thiết bị điện thích hợp:
Thông thường máy biến áp và đường dây được tính toán lựa chọn theo chế

độ tải cực đại và cực tiểu. Nhưng phụ tải thực tế trong quá trình vận hành tại phần
lớn thời gian lại khác chế độ tính toán. Do đó việc chọn điện áp đầu vào của các

22


thiết bị điện thích hợp sẽ làm giảm sự sai khác độ lệch điện áp đầu vào của các thiết
bị điện này.
4. Điều chỉnh chế độ làm việc của thiết bị điện một cách hợp lý:
Việc điều chỉnh chế độ làm việc của thiết bị điện một cách hợp lý sẽ kết hợp
được phụ tải phản kháng giữa các hộ dùng điện. Do đó làm giảm tổn thất công suất
và hao tổn điện áp của lưới điện tại các thời điểm khác nhau.
5. Lựa chọn tiết diện dây trung tính hợp lý:
Đối với lưới điện có dây trung tính, nếu chọn dây trung tính quá nhỏ sẽ làm
tăng hao tổn điện áp trên dây trung tính dẫn đến mất đối xứng của lưới điện.
6. Phân bố đều phụ tải giữa các pha:
Phân bố thời gian làm việc và đưa vào thiết bị vận hành trong các thời gian
hợp lý, tránh hiện tượng quá tải cục bộ vào giờ cao điểm. Vấn đề này chỉ thực hiện
ở cấp vĩ mô, có sự tham gia của nhiều bộ ngành và nhà nước.
Tăng cường sử dụng các thiết bị ba pha. Biện pháp này làm giảm sự mất đối
xứng trong lưới điện.
7. Không vận hành thiết bị non tải:
Các thiết bị vận hành non tải làm cho hệ số công suất thấp, tăng cường công
suất phản kháng làm tăng hao tổn dẫn đến tăng độ lệch điện áp.
8. Với lưới điện có nhiều phụ tải một pha nên chọn máy biến áp có tổ nối dây saoziczăc để giảm tổn hao phụ do dòng thứ tư không gây ra.
2.2. Nhóm các biện pháp kỹ thuật
Nhóm này được thực hiện khi các biện pháp tổ chức vận hành được áp dụng
mà vẫn không mang lại kết quả như mong muốn, nhóm này bao gồm các giải pháp:
1. Điều chỉnh điện áp, bù công suất phản kháng trong lưới phân phối.
2. Đối xứng hóa lưới điện.

3. Hạn chế sóng hài trong lưới hạ áp.
4. Nâng cao điện áp vận hành lưới phân phối và đưa về điện áp quy chuẩn, chuyển
điện áp 6, 10, 15 kV lên vận hành ở cấp điện áp 22 kV.
Việc thực hiện giải pháp này tương đối hiệu quả nhưng đòi hỏi vốn đầu tư
lớn mà thời gian thực hiện dài.

23


Giải pháp kỹ thuật chính nâng cao chất lượng điện cần tập trung nghiên cứu
trong phạm vi đề tài này là phương pháp điều chỉnh điện áp, bù CSPK, phương
pháp đối xứng hóa lưới điện và các biện pháp hạn chế ảnh hưởng của các sóng hài
bậc cao nhằm cải thiện điện áp tại các nút của hệ thống lưới phân phối.
2.3. Điều chỉnh điện áp
Để duy trì điện áp trên cực của thiết bị trong miền giới hạn hay nằm trong
phạm vi cho phép chúng ta phải áp dụng các biện pháp điều chỉnh điện áp ít nhất có
thể bù được các tổn thất điện áp do các phần tử trong các hệ thống cung cấp điện
gây ra và trong nhiều trường hợp chúng ta phải phối hợp nhiều biện pháp điều chỉnh
điện áp với nhau vì có phương pháp điều chỉnh này có thể cải thiện được thông số
này nhưng lại gây ảnh hưởng không tốt đến các thông số khác. Nhìn chung, trong
các biện pháp điều chỉnh điện áp hiện nay chúng ta thấy rằng:
Đối với các phương pháp điều chỉnh điện áp ở thanh cái trạm phát điện hoặc
trạm biến áp trung gian: Bằng cách thay đổi kích từ của máy phát điện, chúng ta có
thể điều chỉnh điện áp ở thanh cái trạm phát điện. Biện pháp này thực hiện đơn giản
và có ảnh hưởng chung trong toàn mạng. Nhưng gặp khó khăn là mức điều chỉnh
cho điện áp nếu tốt cho phụ tải ở gần thì lại không phù hợp với phụ tải ở xa và
ngược lại. Vì thế biện pháp này được phối hợp với các biện pháp khác nữa mới đảm
bảo được chất lượng điện áp trong toàn mạng.
Các máy biến áp trung gian (hoặc khu vực) cấp điện cho một vùng rộng lớn,
vì vậy nên dùng máy biến áp có điều chỉnh điện áp dưới tải. Trong trường hợp chỉ

có máy biến áp thường thì thanh cái phía hạ áp của máy biến áp của máy biến áp
nên đặt các máy đồng bộ công suất lớn để tiến hành điều chỉnh điện áp.
Điều chỉnh điện áp riêng cho từng điểm trong mạng điện: Ở những nơi phụ
tải yêu cầu cao về điện áp, chúng ta có thể đặt các thiết bị điều chỉnh điện áp như:
máy biến áp có tự động điều chỉnh điện áp, máy bù đồng bộ, tụ điện tĩnh,… Phương
pháp điều chỉnh này sát hợp với yêu cầu của từng phụ tải và luôn được ưu tiên chú ý
sử dụng, song có nhược điểm là phải dùng nhiều thiết bị điều chỉnh phân tán.
Trong thực tế phải phối hợp giữa điều chỉnh ở trung tâm và cục bộ mạng

24


điện. Đồng thời ngoài việc dùng các thiết bị điều chỉnh điện áp chúng ta phải áp
dụng các biện pháp tổng hợp khác để đảm bảo chất lượng điện áp của hệ thống cung
cấp điện.
Điện áp tại các điểm nút trong hệ thống được duy trì ở một giá trị định trước
nhờ có những phương thức vận hành hợp lý, chẳng hạn như tận dụng công suất
phản kháng của các máy phát hoặc máy bù đồng bộ, ngăn ngừa quá tải tại các phần
tử của hệ thống điện, tăng và giảm tải hợp lý của những đường dây truyền tải, chọn
tỷ số biến đổi thích hợp ở các máy biến áp hay sử dụng các thiết bị bù truyền thống
và hiện đại để bù lượng công suất phản kháng nhằm nâng cao chất lượng điện.
Để điều chỉnh điện áp ta có thể sử dụng các phương pháp sau đây:
1. Điều chỉnh điện áp đầu ra của máy biến áp tăng áp và của máy biến áp giảm áp
bằng cách đặt đầu phân áp cố định hoặc điều áp dưới tải.
2. Điều chỉnh điện áp trên đường dây tải điện bằng máy biến áp điều chỉnh và máy
biến áp bổ trợ.
3. Sử dụng các thiết bị bù công suất phản kháng.
Nhận xét:
Trong các phương pháp trên chúng ta thấy rằng việc điều chỉnh điện áp đầu
ra của máy biến áp hay sử dụng các máy biến áp bổ trợ là phương pháp truyền

thống được sử dụng từ lâu. Tuy nhiên nó chỉ có hiệu quả điều chỉnh ở một mức độ
nào đó, nghĩa là phạm vi điều chỉnh hẹp, trong nhiều trường hợp nó không đáp ứng
được yêu cầu cần thay đổi của lưới điện để điều chỉnh giữ ổn định điện áp lưới.
Trong khi đó phương pháp điều chỉnh điện áp bằng cách bù công suất phản kháng
có thể điều chỉnh rộng và linh hoạt hơn, vì thế nó đang được tập trung nghiên cứu
để áp dụng những công nghệ bù CSPK mới vào trong lưới điện.
2.4. Bù công suất phản kháng
2.4.1. Quan hệ giữa công suất phản kháng và điện áp
Nhu cầu công suất phản kháng thay đổi gây ra sự biến đổi điện áp. Trong
lưới điện trung áp, hạ áp thì R khá lớn, dòng công suất tác dụng cũng ảnh hưởng
đến điện áp. Nhưng không thể dùng cách điều chỉnh dòng công suất tác dụng để

25