Điều khiển thiết bị bự trong lưới phõn phối để giảm tổn thất điện năng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐẶNG VĂN HAI

ĐIỀU KHIỂN BÙ TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI
ĐỂ GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG

CHUYÊN NGHÀNH :

KỸ THUẬT ĐIỆN HƯỚNG HỆ THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
GS.TS Lã Văn Út

Hà Nội – Năm 2011


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số
liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố.
Hà Nội, tháng 9 năm 2011
Tác giả luận văn

Đặng Văn Hai

1

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................1
DANH MỤC CÁC BẢNG.................................................................................................6
DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ .................................................................................7
MỞ ĐẦU ..............................................................................................................................8
CHƯƠNG 1: VẤN ĐỀ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG VÀ BÀI TOÁN BÙ KINH TẾ
TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI ...........................................................................................10
1.1 Đặc điểm của lưới điện phân phối

10

1.2 Vấn đề tổn thất công suất và tổn thất điện năng trên LĐPP.

11

1.2.1 Sự cần thiết phải giảm tổn thất điện năng ...................................................... 11
1.2.2 Các nguyên nhân gây ra tổn thất trong LĐPP................................................. 11
1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tổn thất và khả năng giảm thiểu tổn thất .............. 13
1.2.4 Phương pháp xác định tổn thất điện năng theo đường cong tổn thất của
HTCCĐ .................................................................................................................... 14
1.3 Vấn đề bù kinh tế trong lưới điện phân phối

17

1.3.1 Khái niệm về CSPK ....................................................................................... 17

1.3.2 Hệ số công suất và khả năng điều chỉnh ......................................................... 19
1.3.3 Hiệu quả của việc bù công suất phản kháng ................................................... 20
1.3.4 Các phương pháp bù công suất phản kháng.................................................... 21
1.3.5. Bù cố định và điều chỉnh theo chế độ làm việc ............................................. 24
1.3.6 Tổng quan về mô hình và phương pháp bù kinh tế trong LĐPP .................... 25
1.3.6.1 Bài toán bù kinh tế với hàm mục tiêu tối ưu hàm lợi nhuận ........................ 26

2


1.3.6.2 Bài toán bù kinh tế với hàm mục tiêu cực tiểu hàm chi phí tính toán ......... 28
1.3.6.3 Bài toán bù kinh tế theo thời gian thu hồi vốn định mức ............................. 29
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN LỰA CHỌN VỊ TRÍ, DUNG
LƯỢNG BÙ TỐI ƯU VÀ VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BÙ NÂNG CAO
HIỆU QUẢ GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG ............................................................31
2.1 Đặt vấn đề

31

2.2 Phương pháp tính toán lựa chọn vị trí, dung lượng bù tối ưu

32

2.2.1 Suất giảm chi phí tổn thất của thiết bị bù trong LPP ...................................... 32
2.2.2 Đánh giá hiệu quả bù tại các nút của lưới điện phân phối .............................. 36
2.2.3 Xác định dung lượng bù tại các nút, đảm bảo thời gian thu hồi vốn đầu tư xấp
xỉ thời hạn Tthđm ........................................................................................................ 37
2.2.4 Xác định dung lượng bù tối ưu cho một số ít nút đã chọn .............................. 41
2.2.5 Ưu điểm của thuật toán đề xuất ...................................................................... 42
2.2.6 Giới thiệu Phần mềm CONUS dùng để tính toán chế độ xác lập, kết hợp tính

toán lựa chọn vị trí và dung lượng bù ...................................................................... 42
2.3 Vấn đề điều khiển thiết bị bù nâng cao hiệu quả giảm tổn thất điện năng

43

2.3.1 Điều khiển dung lượng bù theo thời gian thực ............................................... 44
2.3.2 Thuật toán điều khiển dung lượng bù CSPK theo dòng phụ tải ..................... 48
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN BÙ KINH TẾ CHO LĐPP HUYỆN GIA LÂM – TP
HÀ NỘI ..............................................................................................................................53
3.1 Đặc điểm tự nhiên, kinh tế- xã hội huyện Gia Lâm

53

3.2 Đặc điểm phụ tải lưới điện huyện Gia lâm

53

3.3 Tính toán tổn thất và lựa chọn dung lượng, vị trí bù cho lộ 475 Trung Gian Thừa
Thiên

55

3.3.1 Tính toán chế độ xác lập ................................................................................. 55
3.3.2 Đánh giá hiệu quả bù thông qua suất giảm chi phí tổn thất ............................ 59
3.3.3 Xác định dung lượng bù tối ưu cho lưới ......................................................... 60

3


3.3.4 Lựa chọn thiết bị bù ........................................................................................ 64

3.4 Điều khiển bộ tụ bù tại nút 153 theo sự biến thiên của phụ tải

65

KẾT LUẬN CHUNG .......................................................................................................69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................70

4


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT

Chữ viết tắt

Ý nghĩa

1.

LĐPP

Lưới điện phân phối

2.

LĐTT

Lưới điện truyền tải

3.

CSPK

Công suất phản kháng

4.

HMT

Hàm mục tiêu

5.

TBA

Trạm biến áp

6.

MBA

Máy biến áp

7.

HTĐ

Hệ thống điện

8.

HTCCĐ

Hệ thống cung cấp điện

9.

SVC

Static Var Compensator

10.

CĐXL

Chế độ xác lập

11.

ĐKPTBS

Điều khiển phụ tải bằng sóng

12.

TBB

Thiết bị bù

5

Ghi chú


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 : Điện áp các nút trung áp

56

Bảng 3.3: Bảng so sánh điện áp các nút cao áp trước và sau khi bù

63

Bảng 3.4: Bảng so sánh điện áp các nút hạ áp trước và sau khi bù

64

Bảng 3.5: Bảng tính δPj theo S ứng với từng nấc bù

66

6


DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Biểu đồ phụ tải ..........................................................................................15
Hình 1.2: Đường cong tổn thất..................................................................................15
Hình 1-3. Xác định tổn thất điện năng theo đường cong tổn thất .............................16
Hình 1-4 Mạch điện RL đơn giản .............................................................................17
Hình 1-5: Tam giác tổng trở ......................................................................................17

Hình 1-6: Tam giác công suất ...................................................................................18
Hình 1- 7: Giản đồ vectơ dòng điện ..........................................................................19
Hình 2-1: Sơ đồ lưới điện đơn giản...........................................................................32
Hình 2.3 Lưới hình tia phức tạp ................................................................................34
Hình 2-4: Hàm lợi ích và dung lượng bù kinh tế ......................................................39
Hình 2-5: Sơ đồ thuật toán xác định dung lượng bù tại các nút theo thời gian thu hồi
vốn đầu tư nhỏ hơn thời gian thu hồi vốn cho trước .................................................40
Hình 2-6 Cấu tạo TSC và dạng sóng vận hành .........................................................44
Hình 2-7: Các thành phần cấu tạo của SVC..............................................................45
Hình 2-8: Dạng sóng điện áp khi sử dụng ĐKPTBS ................................................46
Hình 2-9 Sơ đồ lưới điện đơn giản............................................................................48
Hình 2-10: Vị trí thay đổi nấc bù tối ưu ....................................................................49
Hình 2-11 Điều khiển dung lượng bù theo biểu đồ ..................................................50
Hình 2-12: Lưới hình tia phức tạp ............................................................................50
Hình 3-1: Sơ đồ một sợi lộ 475 Trung Gian Thừa Thiên .........................................58
Hình 3-2 Biểu đồ phụ tải ngày lộ 475TG Thừa Thiên ..............................................65
Hình 3-3 Vị trí thay đổi nấc bù tối ưu lộ 475 TG Thừa Thiên..................................67
Hình 3-4 Điều khiển dung lượng bù theo biểu đồ phụ tải lộ 475 TG Thừa Thiên ...68

7


MỞ ĐẦU
1. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU VÀ LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Lưới điện phân phối (LĐPP) có tỉ lệ tổn thất khá cao so với lưới truyền tải,
phân bố rộng khắp các khu vực lãnh thổ. Việc lắp đặt thiết bị bù (TBB) làm giảm
tổn thất trong LĐPP thường đem lại hiệu quả kinh tế cao, đồng thời còn cải thiện
các chỉ tiêu kỹ thuật. Tuy nhiên, hiệu quả chỉ có thể có được khi chọn đúng vị trí đặt
và dung lượng bù. Ngoài ra, do phụ tải thường xuyên thay đổi theo biểu đồ nên việc
lựa chọn các phương tiện bù có khả năng điều chỉnh cũng nâng cao thêm hiệu quả.

Đề tài nghiên cứu phương pháp tính toán, xác định các chỉ tiêu cho phép đánh giá
hiệu quả nếu lắp đặt thiết bị bù vào các vị trí khác nhau trong LĐPP. Nghiên cứu
thuật toán điều khiển dung lượng bù (nếu TBB có khả năng) để nâng cao hiệu quả
khi phụ tải thay đổi.
2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG
2.1. Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu LĐPP có sơ đồ phức tạp bất kỳ (hình tia, lưới kín vận hành hở).
2.2. Phạm vi áp dụng
Kết quả nghiên cứu nhằm áp dụng vào thực tế các LĐPP của Việt Nam.
2.3. Áp dụng cụ thể
Tính toán với lưới điện thuộc Công ty Điện lực Gia Lâm - Tổng công ty Điện
lực TP Hà Nội, lộ 475 Trung Gian Thừa Thiên.
3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
3.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài
- Hệ thống hóa lý thuyết bù CSPK, nghiên cứu phương pháp lựa chọn vị trí
và dung lượng bù kinh tế trong LĐPP.
- Nghiên cứu, khai thác phần mềm Conus để tính toán tổn thất, xác định
dung lượng và vị trí bù tối ưu.
- Nghiên cứu thuật toán, ứng dụng điều khiển dung lượng bù từng nấc.
3.2. Tính thực tiễn của đề tài

8


Các kết quả nghiên cứu trong đề tài có tính ứng dụng cao đối với việc lựa chọn
đúng vị trí lắp đặt, xác định và điều khiển dung lượng bù tối ưu theo từng nấc cho
LĐPP Việt Nam nói chung và LĐPP thuộc Tổng công ty Điện lực TP Hà Nội nói
riêng.

9

CHƯƠNG 1: VẤN ĐỀ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG VÀ BÀI TOÁN BÙ KINH TẾ
TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI
1.1 Đặc điểm của lưới điện phân phối
Lưới điện phân phối điện là khâu cuối cùng của hệ thống điện đưa điện năng
trực tiếp đến người tiêu dùng. LĐPP bao gồm lưới điện trung áp và lưới điện hạ áp.
Sự gia tăng dân số nhanh kéo theo mật độ dân cư tăng, nhu cầu sử dụng năng lượng
tăng, LĐPP sẽ có quy mô lớn hơn rất nhiều so với hiện tại, các công ty Điện lực và
các Điện lực tỉnh, thành phố sẽ phải đối diện với những khó khăn nhất định trong
công tác quản lý đầu tư xây dựng và quản lý vận hành.
LĐPP có các đặc điểm về thiết kế và vận hành khác với lưới điện truyền tải.
LĐPP bố trên diện rộng, thường vận hành không đối xứng và có tổn thất lớn hơn.
Khi truyền tải điện năng từ nguồn đến các hộ tiêu thụ do mỗi phần tử của
mạng điện đều có tổng trở nên đều gây ra tổn thất công suất và tổn thất điện áp. Bất
kì một phần tử nào nối vào hệ thống đều gây ra tổn thất công suất, ngoài ra cách lắp
đặt không đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cũng sẽ gây ra tổng thất công suất như các mối
nối bị tiếp xúc, sự già hoá của vật liệu thiết bị…Tổn thất công suất có thể có nhiều
yếu tố và nguyên nhân gây ra nhưng đường dây và TBA là hai phần tử trong hệ
thống gây ra tổn thất lớn nhất. Trong LĐPP tổng chiều dài đường dây và số lượng
máy biến áp rất lớn, hơn nữa lưới phân phối có cấp điện áp thấp nên tổn thất trên
lưới phân phối là rất lớn.
Vấn đề tổn thất điện năng trên LĐPP liên quan chặt chẽ đến các vấn đề kỹ
thuật của lưới điện từ giai đoạn thiết kế đến vận hành. Do đó trên cơ sở các số liệu
về tổn thất có thể đánh giá sơ bộ chất lượng vận hành của LĐPP.
Trong những năm gần đây, LĐPP của nước ta phát triển mạnh, các Công ty
Điện lực cũng được phân cấp mạnh về quản lý. Với chủ trương của Đảng và nhà
nước, các Công ty Điện lực bán điện trực tiếp đến người dân, các chương trình xoá
bán tổng đang được triển khai trên toàn quốc, chất lượng vận hành của LĐPP được
nâng cao rõ rệt. Mặc dù tỷ lệ tổn thất trên LĐPP đã giảm, nhưng mức giảm tổn thất

10


này vẫn còn rất khiêm tốn. Như vậy vẫn còn nhiều biện pháp đồng bộ cần thực hiện
để đạt được mục tiêu giảm tổn thất trên lưới điện.
1.2 Vấn đề tổn thất công suất và tổn thất điện năng trên LĐPP.
1.2.1 Sự cần thiết phải giảm tổn thất điện năng
- Tổn thất điện năng là vấn đề được quan tâm hàng đầu trong việc kinh doanh,
buôn bán điện năng.
- Đứng trên quan điểm của nghành điện: Tổn thất điện năng càng tăng thì lợi
nhuận thu được càng giảm, thu nhập của cán bộ công nhân viên nghành điện và đóng
góp cho ngân sách nhà nước càng giảm.
- Đứng trên quan điểm của khách hàng dùng điện: Tổn thất điện năng càng cao
thì giá bán điện càng tăng để bù lại phần điện năng tổn thất.(đây là điều bất cập do
nghành điện đang được cho là nghành độc quyền).
- Đứng trên quan điểm của lợi ích quốc gia: Tổn thất điện năng càng lớn thì việc
đầu tư để xây dựng, lắp đặt các hệ thống nhà máy điện, đường dây truyền tải và các
phần có liên quan càng lớn. Trong khi nguồn năng lượng đầu vào để sản xuất ra điện
ngày càng cạn kiệt, giá thành ngày càng cao, thuỷ điện phụ thuộc rất nhiều vào thời
tiết ( ví dụ như năm 2010 lượng nước về các hồ thuỷ điện chỉ bằng khoảng 50% so
với các năm cùng thời điểm); Vì vậy hiện nay đang thiếu điện trầm trọng, ảnh hưởng
nghiêm trọng tới sự phát triển các nghành công nghiệp khác nói riêng và nền kinh tế
nói chung.
1.2.2 Các nguyên nhân gây ra tổn thất trong LĐPP
Tổn thất điện năng trong hệ thống điện luôn luôn tồn tại do nhiều nguyên nhân
khác nhau: mất mát năng lượng do hiệu ứng Joule, tổn thất từ trễ và dòng Foucault
trong lõi từ của máy điện, tổn thất vầng quang trên các đường dây truyền tải điện,
tổn thất do sai số trong hệ thống đo đếm, tổn thất do gian lận sử dụng v.v… Những
nguyên nhân này có thể được chia thành 2 nhóm: tổn thất kỹ thuật và tổn thất phi kỹ

thuật.
a. Tổn thất kỹ thuật

11


Tổn thất kỹ thuật là tổn thất tồn tại do bản chất vật lý của các phần tử trong
hệ thống điện. Nó phản ảnh hiệu suất của hệ thống trong quá trình sản xuất, truyền
tải và phân phối điện năng tới nơi tiêu thụ. Các thành phần chính của tổn thất kỹ
thuật bao gồm
- Tổn thất trên điện trở của mọi phần tử có dòng điện chạy qua:
Tổn thất trên điện trở của phần tử tỉ lệ với bình phương của dòng điện chạy
qua phần tử đó theo biểu thức P = I 2 .R . Tuy nhiên cũng cần phải xét đến mối quan
hệ giữa nhiệt độ và điện trở của phần tử bởi vì khi dòng điện tăng lên thì nhiệt độ
của thiết bị cũng tăng.
- Các tổn thất không tải do phần tử mang điện áp:
Tổn thất không tải xuất hiện trong các phần tử có chứa mạch từ như máy
biến áp, động cơ, điện kháng, nam châm điện, các thiết bị bù. Dạng tổn thất này
thường tỷ lệ xấp xỉ với bình phương của điện áp và bao gồm các thành phần như tổn
thất do hiện tượng từ trễ, tổn thất do dòng điện foucault và tổn thất do hỗ cảm giữa
các phần tử.
- Tổn thất vầng quang
Tổn thất vầng quang xuất hiện trên các đường dây truyền tải điện do mất mát
năng lượng vào việc ion hóa không khí xung quanh đường dây.
Tổn thất kỹ thuật trên lưới phân phối bao gồm.
+ Tổn thất ở đường dây các phía cao áp lưới phân phối (35kV, 22kV, 10kV,
6kV)
+ Tổn thất qua máy biến áp phân phối và các thiết bị khác trên lưới
+ Tổn thất ở đường dây lưới hạ áp (0,4kV)
b. Tổn thất phi kỹ thuật

Là tổn thất do sự chênh lệch giữa lượng điện năng sử dụng và lượng điện
năng được tính tiền. Sự chênh lệch này là do sai số của thiết bị đo đếm như công tơ,
máy biến dòng, do những phụ tải không được tính tiền hoặc do trộm cắp, gian lận
thương mại. Tổn thất phi kỹ thuật phản ánh hiệu quả quản lý điện năng từ khâu

12


sản xuất, truyền tải và phân phối tới khách hàng. Tổn thất phi kỹ thuật bao gồm các
thành phần chính:
- Tổn thất do sai số của thiết bị đo đếm
Các thiết bị đo đếm bao gồm các máy biến dòng điện, máy biến điện áp,
wattmet, công tơ, các thiết bị hiển thị cơ và số. Tổn thất điện năng có thể xuất hiện
do sai số cũng như hỏng hóc của các thiết bị này. Lượng tổn thất này có thể khá lớn
vì số lượng các thiết bị đo đếm được sử dụng trong HTĐ là rất nhiều.
- Tổn thất do lỗi trong việc tính toán hóa đơn điện năng tiêu thụ
- Tổn thất do gian lận, ăn trộm điện của người sử dụng
Bên cạnh các nguyên nhân gây ra tổn thất, cũng phải xét đến cả các yếu tố
ảnh hưởng đến tổn thất. Các yếu tố này không trực tiếp gây nên tổn thất nhưng lại
ảnh hưởng nhiều đến trị số của tổn thất.
1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tổn thất và khả năng giảm thiểu tổn thất
a. Điện áp làm việc của trang thiết bị
Làm việc với điện áp càng cao, dòng điện càng bé, vì thế chọn cấp điện áp khi
thiết kế (đường dây, máy biến áp) và điều chỉnh điện áp lúc vận hành đều có ảnh
hưởng mạnh đến trị số tổn thất công suất và điện năng.
- Nâng cấp điện áp định mức của lưới điện.
Là biện pháp giảm tổn thất rất đáng kể bởi trị số tổn thất tỉ lệ nghịch với bình
phương của điện áp định mức:
P2 + Q2
R

∆P = 3RI =
U2
2

(1.1)

Tuy nhiên nâng cấp điện áp lại liên quan với việc cần tăng vốn đầu tư cho cách điện
và kết cấu lưới, cần so sánh lựa chọn theo chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật.

- Điều chỉnh điện áp tại máy biến áp
Các máy biến áp trong HTĐ hầu hết đều có khả năng điều chỉnh điện áp bằng
cách thay đổi đầu phân áp. Việc thay đổi đầu phân áp cho phép lựa chọn điện áp
làm việc tối ưu cho đường dây tải điện (ở mức cao giới hạn trong mọi chế độ tải)
nhờ đó giảm được tổn thất. Ngoài ra, thay đổi đầu phân áp còn làm thay đổi sự phân

13


bố công suất phản kháng trong lưới, nếu có phương pháp điều khiển tối ưu cũng có
thể giảm được trị số tổn thất xuống đến mức thấp nhất.
b. Truyền tải công suất phản kháng
Cân bằng công suất phản kháng nút là điều kiện cần để đảm bảo chất lượng
điện năng. Mất cân bằng công suất phản kháng điện áp nút sẽ thay đổi. Trong HTĐ
luôn luôn tồn tại quá trình truyền tải công suất phản kháng (kèm theo với công suất
tác dụng), dòng điện tăng lên, làm tăng cao trị số tổn thất công suất tác dụng (công
thức 1.1). Giảm công suất phản kháng truyền tải là biện pháp chủ yếu khi áp dụng
các biện pháp giảm thiểu tổn thất.

- Ảnh hưởng của các thiết bị bù
Các thiết bị bù công suất phản kháng thường được đặt ở phụ tải. Các thiết bị

này có tác dụng phát công suất phản kháng vào đường dây, giảm lượng công suất
phản kháng chạy trên đường dây nhằm cải thiện điện áp làm việc của phụ tải, tăng
hệ số công suất và giảm tổn thất trên đường dây.

1.2.4 Phương pháp xác định tổn thất điện năng theo đường cong tổn thất của
HTCCĐ
Đường cong tổn thất xác định với một phương thức vận hành đã cho của
HTCCĐ (mỗi phương thức ứng với một phương án nhất định của sơ đồ phân chia,
đầu phân áp tại trạm biến áp, dung lượng bù đưa vào vận hành...). Đó là đường cong
quan hệ giữa tổn thất công suất tổng ∆P và tổng điện năng các thanh cái cung cấp:

∆P = f(PΣ)
Có thể xây dựng đường cong qua các bước tính toán sau:
- Xác định biểu đồ phụ tải các nút (P, Q hoặc P và cosϕ ) - Biểu đồ điển hình
hoặc biểu đồ vận hành thực trong một ngày đêm (hình 3-1).
- Ứng với trị số công suất các nút, từng giờ của biểu đồ tính toán tổn thất
công suất tổng ∆Pi và công suất tổng cung cấp từ thanh cái P∑i .
- Dựa vào các tọa độ (∆Pi,P∑i) vẽ đường cong trên mặt phẳng công suất.

14


P

Q

Pmax
Qma
Pi

Qi

t
0

ti

t

24 h

0

ti

24 h

Hình 1.1: Biểu đồ phụ tải
∆P

a

PΣ
Pmin

Pa

Pmax

Hình 1.2: Đường cong tổn thất

Một số đặc điểm của đường cong tổn thất :
- Tính xác định : Khi biểu đồ phụ tải các nút (tính theo trị số tương đối) có
dạng không thay đổi và giữ nguyên cosϕ thì đường cong là hoàn toàn xác định. Nói
chung, với lưới có cấu trúc ổn định thì điều kiện này đảm bảo. Trong nhiều trường
hợp biểu đồ (tương đối) của các nút còn có thể giống nhau, việc tính toán tương đối
đơn giản.
- Nối điểm bất kỳ của đường cong với gốc toạ độ, hệ số góc của đường thẳng
đặc trưng cho tỷ lệ tổn thất công suất. Tồn tại một vùng tỉ lệ tổn thất điện năng ít

15


nhất (xung quanh a - hình 1.2). Lưới làm việc non tải hoặc quá tải đều có thể dẫn
đến tăng cao tỉ lệ tổn thất điện năng.
- Do tính chất xác định của đường cong tổn thất, có thể mở rộng phạm vi xây
dựng đường cong về 2 phía của biểu đồ phụ tải thực. (Tính toán bằng cách thay đổi
trị số công suất, giữ nguyên dạng của biểu đồ).
- Khi có thay đổi nhiều về cấu trúc và tính chất phụ tải, đường cong tổn thất
có thể thay đổi nhiều. Trong quản lý vận hành, thường xuyên phải kiểm tra, tính
toán xây dựng lại đường cong tổn thất.

Xác định tổn thất điện năng bằng đường cong tổn thất:
Khi đường cong tổn thất công suất đã được xây dựng, có thể sử dụng làm
công cụ chính để tính toán tổn thất điện năng. Giả sử biết biểu đồ công suất tổng
thanh cái hình 1-3 (luôn có thể đo đạc, xác định trong vận hành). Đường cong cho
phép xác định tổn thất điện năng giờ và toàn bộ thời gian trong ngày không kèm
theo phép tính toán phức tạp nào.
∆P

∆P

PΣ

t

t

Hình 1-3. Xác định tổn thất điện năng theo đường cong tổn thất
Hình vẽ minh hoạ quá trình xác định biểu đồ tổn thất công suất trong ngày của
HTCCĐ. Tổn thất điện năng xác định bằng diện tích của biểu đồ. Quá trình trên dễ

16


dàng thực hiện bằng chương trình hoá trên máy tính điện tử. Kết quả tính toán có
thể dùng cho nhiều bài toán khác nhau, nói riêng có thể xác định τ = ∆A/∆P cho
lưới cụ thể.

1.3 Vấn đề bù kinh tế trong lưới điện phân phối
Như đã phân tích ở trên, biện pháp chủ yếu nhằm giảm tổn thất điện năng là
giảm công suất phản kháng truyền tải trên đường dây, với việc sử dụng các thiết bị
phát công suất phản kháng vào hệ thống, giảm lượng công suất phản kháng chạy
trên đường dây nhằm cải thiện điện áp làm việc của phụ tải, tăng hệ số công suất và
giảm tổn thất trên đường dây. Trong phần này ta sẽ đi phân tích về bản chất của
công suất phản kháng, khả năng điều chỉnh và các hiệu quả đạt được khi bù công
suất phản kháng.

1.3.1 Khái niệm về CSPK
Một mạch điện có tải là điện trở R và điện kháng X được cung cấp bởi điện
áp: u = Umsinωt như hình vẽ 1-4:

Z

X

ϕ
Hình 1-4 Mạch điện RL đơn giản

R

Hình 1-5: Tam giác tổng trở

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

17

π
2

)


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

π

2

Từ hai thành phần i’ và i’’ ta tính công suất tương ứng là:
P = UIcosϕ gọi là công suất tác dụng
Q = UIsinϕ gọi là công suất phản kháng
Theo tam giác tổng trở hình 1-5 ta có thể viết công thức công suất như sau:
P = UIcosϕ = (Z.I)( I.cosϕ) = Z.I2. R Z = RI2
và

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

Vậy công suất phản kháng của một nhánh bất kỳ nói lên cường độ của quá trình
dao động năng lượng của nhánh đó.
S = P + Q gọi là công suất biểu kiến
Ta có thể biểu diễn mối quan hệ giữa S, P và Q như ( hình 1-6) sau:
U.Icosϕ P

U

ϕ
U.Isinϕ

S

Q

Hình 1-6: Tam giác công suất
Các thành phần mang điện kháng hay điện dung trong mạng điện sẽ sử dụng
công suất phản kháng.
Công suất phản kháng được tiêu thụ ở động cơ không đồng bộ, máy biến áp,

trên đường dây điện và mọi nơi có từ trường. Yêu cầu công suất phản kháng chỉ
có thể giảm đến tối thiểu chứ không thể triệt tiêu được vì nó cần thiết để tạo ra
từ trường, yếu tố trung gian cần thiết trong quá trình chuyển hoá điện năng.
Theo thống kê thì yêu cầu công suất phản kháng được chia như sau:

18


- Động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 70-80%
- Máy biến áp tiêu thụ 15-25%
- Đường dây điện và các phụ tải khác 5%

1.3.2 Hệ số công suất và khả năng điều chỉnh
+ Hệ số công suất: Xét một phụ tải có tổng trở Z = R + jX được cung cấp bởi
điện áp U. Dòng điện chạy trên tải đó sẽ là I =

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

jB) = IR + jIX. Dòng điện gồm hai thành phần: Thành phần tác dụng và thành phần
phản kháng.
-

Thành phần tác dụng IR cùng pha với điện áp

-

Thành phần phản kháng IX trễ pha với điện áp là

-

Góc giữa U và I là φ như hình vẽ 1-7

Π
2

U

IR
φ

IX

I

Hình 1- 7: Giản đồ vectơ dòng điện
Công suất biểu kiến S = UI* = U( IR – jIX ) = P - jQ
Như vậy công suất biểu kiến S có hai thành phần là: Thành phần thực P và thành
phần phản kháng Q. Mối quan hệ giữa S, P, Q thể hiện ở hình vẽ 1- 6.
Từ hình vẽ 1-6 ta có tỷ lệ

P

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

hệ số công suất là hệ số biểu thị sự chuyển đổi công suất từ dạng này sang dạng
khác.
+ Điều chỉnh hệ số công suất:

19


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

Pdm
=
S1

Pdm
2
P + Qdm
2
dm

. Giả sử ta lắp đặt thiết bị bù, bù một lượng công suất

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

Pdm
2
Pdm
+ (Qdm − Qb )

2

.

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

1.3.3 Hiệu quả của việc bù công suất phản kháng
a, Bù CSPK làm giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng:
Từ công thức ∆P =

S2
P2 + Q2
R
=
.
.R
U2
U2

Ta thấy tổn thất công suất tác dụng tỉ lệ thuận với bình phương lượng công suất
phản kháng truyền tải. Sau khi bù thì lượng CSPK thực tế phải truyền tải là (QQb)b, Bù CSPK làm giảm tiết diện dây dẫn:

Công suất toàn phần truyền tải trên đường dây là: S = P 2 + Q 2
Sau khi bù, công suất truyền tải trên đường dây sẽ giảm xuống bằng:
S = P 2 + (Q − Qb ) 2 .

Do công suất toàn phần giảm nên ta có thể chọn dây dẫn có tiết diện bé hơn.
c, Bù CSPK làm giảm công suất đặt của MBA:
Sau khi lắp đặt thiết bị bù tại phụ tải, công suất toàn phần S chuyên chở qua
MBA sẽ giảm xuống, đến mức độ nào đó có thể chọn máy biến áp có công suất bé
hơn, hiệu quả kinh tế mang lại rất đáng kể.
d, Bù CSPK làm tăng khả năng tải của mạng điện:

20


Do nhu cầu dùng điện phát triển không ngừng nên công suất chuyên chở trên
mạng lưới tăng lên liên tục. Nếu đặt thiết bị bù thì sẽ giảm được lượng Q trên đường
dây, điều đó đồng nghĩa với việc có thể tăng được lượng công suất tác dụng P
chuyên chở trên đường dây.
e, Bù CSPK làm cải thiện chất lượng điện áp:
∆U =

PR + QX
= ∆U r + ∆U x
U

Thành phần tổn thất ∆Ux tỉ lệ thuận với công suất phản kháng, khi giảm được công
suất phản kháng1 sẽ làm giảm tổn thất điện áp và chất lượng điện áp đựơc cải thiện.

1.3.4 Các phương pháp bù công suất phản kháng
a, Sử dụng động cơ đồng bộ.

Động cơ đồng bộ được sử dụng nhiều trong các xí nghiệp công nghiệp như
xí nghiệp luyện kim, hoá chất, tuyển khoáng…, để truyền động cho các máy công
tác có chế độ làm việc lâu dài và ổn định như máy bơm, quạt, máy nén, băng tải…
Các động cơ đồng bộ được chế tạo với công suất phản kháng vượt trước hoặc chậm
sau, do đó có thể sử dụng làm nguồn công suất phản kháng. Khả năng kỹ thuật của
động cơ đồng bộ là giá trị công suất cực đại có thể phát ra mà không quá nhiệt cho
các cuộn dây stator và rotor. Các thông số đặc trưng cho chế độ làm việc của động
cơ đồng bộ là:
- Hệ số mang tải tác dụng: KmtP=P/Pđm
- Hệ số mang tải phản kháng: KmtQ=Q/Qđm
- Điện áp tương đối: U*=U/Uđm
Trong đó:
P,Q là phụ tải tác dụng và phản kháng.
U điện áp lưới.
Pđm ,Qđm ,Uđm là công suất tác dụng, công suất phản kháng, điện áp định mức.
Khi điện áp nằm trong giới hạn 0.95÷1.05 thì động cơ đồng bộ có thể làm
việc lâu dài với công suất phản kháng định mức. Khả năng phát công suất phản
kháng của động cơ đồng bộ được xác định theo biểu thức:

21


Qm=kmtQ.Qđm
kmtQ là giá trị cực đại của hệ số mang tải phản kháng, nó phụ thuộc vào hệ số kmtP và
giá trị điện áp làm việc, tức là kmtQ=f(kmtP,U*)
Trong quá trình làm việc động cơ bị đốt nóng do tổn thất công suất tác dụng
gây nên, lượng tổn thất này phụ thuộc vào chế độ làm việc của động cơ.
∆P=f(kmtP, kmtQ ,U*)
Ưu điểm của động cơ đồng bộ:
- Sự ít phụ thuộc giữa momen quay vào dao động điện áp(mômen quay của

động cơ đồng bộ tỉ lệ với điện áp theo hàm bậc nhất, trong khi đó ở động cơ không
đồng bộ tỉ lệ theo hàm bậc 2).
- Có thể sử dụng làm nguồn công suất phản kháng với chi phí phụ không lớn.
- Tốc độ quay của động cơ đồng bộ không phụ thuộc vào phụ tải do đó hiệu
suất làm việc cao.
- Tổn thất công suất tác dụng thấp hơn động cơ không đồng bộ.
Nhựơc điểm:
- Gía động cơ tương đối cao, suất vốn đầu tư bù công suất phản kháng lớn.
- Suất chi phí công suất tác dụng lớn hơn nhiều so với tụ bù.
- Chiếm diện tích lắp đặt rộng và khi làm việc gây ra tiếng ồn.
Chính vì những ưu nhược điểm đó mà động cơ đồng bộ chỉ được sử dụng ở xí
nghiệp công nghiệp, ít khi sử dụng ở các TBA.
b, Tụ điện
Tụ điện là thiết bị tĩnh được sử dụng rộng rãi để bù công suất phản kháng
trong mạng điện, nó có thể mắc ngay tại đầu vào các hộ dùng điện, trên thanh cái
các TBA hoặc tại các nút của mạng điện. Tụ bù tĩnh có thể mắc độc lập hoặc từng
nhóm theo sơ đồ đấu sao hoặc tam giác.
Công suất phát của tụ điện được xác định theo công thức:
Qc = I 2 . X c =

U2
= ω.C.U 2
Xc

Trong đó:

22


U: điện áp thực tế nơi đặt tụ.

C: điện dung của tụ điện.
Các cụm tụ bù hạ áp thường có hiệu quả bù cao hơn so với tụ bù cao áp vì
công suất bù phản kháng không phải truyền tải qua các phần tử của lưới điện. Công
suất phát của tụ phụ thuộc vào giá trị của điện áp:
⎛U ⎞
Q = Qdm ⎜⎜ ⎟⎟
⎝ Uc ⎠

2

Trong đó: U : điện áp thực tế nơi đặt tụ.
Uc : điện áp định mức của tụ bù.
Chi phí quy dẫn của tụ bù được xác định theo biểu thức:
⎤
⎡
U
Z = p.K 0 + ⎢ p.K b .( ) 2 + c∆ .∆Pb .t ⎥Q
Uc
⎣
⎦

Z = C0 + C1.Q

Với C0 = p.K 0 ; C1 = p.K b .(

U 2
) + c∆ .∆Pb .t
Uc

Trong đó:

K0,Kb là các hệ số kinh tế cố định và thay đổi của tụ bù.
p là hệ số sử dụng hiệu quả và khấu hao thiết bị bù.
C∆ là giá điện do tổn thất điện năng.
∆Pb là tổn thất công suất tác dụng trong thiết bị bù.
t là thời gian làm việc của tụ bù.
Ưu điểm của tụ bù tĩnh:
- Làm việc không có tiếng ồn, tin cậy vì là thiết bị tĩnh.
- Tuổi thọ cao.
- Tổn thất công suất tác dụng ít.
- Có thể thay đổi dung lượng tụ bằng cách thay đổi sơ đồ đấu của cụm tụ bù.
Nhược điểm:
- Chỉ phát công suất phản kháng, không thể tiêu thụ, do đó chỉ điều chỉnh được
công suất phản kháng về một phía.

23


- Không thể điều chỉnh trơn nên độ chính xác kém.
- Có khả năng gây mất ổn định điện áp của lưới do công suất của tụ:
Qc = 3.ω.C.U 2 .10 −3

Khi giảm điện áp U giảm dẫn đến Qc giảm và dẫn đến điện áp trên lưới càng
giảm hơn. Cứ thế gây ra hiện tượng thác điện áp làm mất ổn định điện áp trong hệ
thống.
c, Máy phát
Nguồn công suất phản kháng trong hệ thống điện chủ yếu nhận được từ máy
phát và máy bù đồng bộ. Chi phí sản xuất công suất phản kháng thấp hơn so với các
nguồn công suất phản kháng khác nhưng việc truyền tải công suất phản kháng đến
các hộ tiêu thụ không phải bao giờ cũng có hiệu quả kinh tế. Thêm vào đó khả năng
phát công suất phản kháng của các nhà máy điện bị hạn chế do cosφ của các máy

phát công suất lớn có trị số khá cao (từ 0.85 đến 0.9). Vì lý do kinh tế các máy phát
chỉ đảm đương một phần nhu cầu công suất phản kháng của phụ tải, phần còn lại do
các thiết bị bù đảm nhiệm.
d, Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn được đồng bộ hóa
Khi cho dòng một chiều vào rôto của động cơ không đồng bộ dây quấn, động
cơ sẽ làm việc như một động cơ đồng bộ với dòng điện vượt trước điện áp. Do đó
nó có khả năng sinh ra CSPK cung cấp cho mạng. Nhược điểm của loại động cơ
này là tổn thất công suất khá lớn (0,02 – 0,08) kW/kVAr, khả năng quá tải kém. Vì
vậy động cơ này chỉ được phép làm việc với 75% công suất định mức.
Vì những nhược điểm trên, nên động cơ này chỉ được dùng khi không có sẵn các
thiết bị bù khác.

1.3.5. Bù cố định và điều chỉnh theo chế độ làm việc
a, Bù cố định:
Đây là phương pháp bù chung cho mọi chế độ của phụ tải, tức là lắp đặt thiết
bị bù đấu cố định vào lưới phân phối và được tính toán sao cho thoả mãn mọi chế
độ vận hành. Phương pháp này khi đưa vào vận hành thì không thể điều chỉnh được

24