Nghiên cứu và đánh giá các thuật toán bù tối ưu công suất phản kháng

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

NGUYỄN QUANG HUY

NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC THUẬT TOÁN
BÙ TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
HỆ THỐNG ĐIỆN

Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ VIỆT TIẾN

Hà Nội: 2014


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn này do chính bản thân tôi nghiên cứu, tính
toán và phân tích.
Số liệu đưa ra trong luận văn dựa trên kết quả tính toán trung thực của tôi, không
sao chép của ai hay số liệu đã được công bố.
Nếu sai với lời cam kết trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Tác giả

Nguyễn Quang Huy

2


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. 2
MỤC LỤC ............................................................................................................. 3
CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU.......................................................................... 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.............................................................................. 8
CHƯƠNG MỞ ĐẦU ............................................................................................ 9
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG
LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI .................................................................................11
1.1. Tổng quan chung ............................................................................................11
1.1.1. Tổng quát .......................................................................................................11
1.1.2. Đặc điểm chung của lưới điện phân phối ...................................................11
1.2. Các biện pháp nâng cao hiệu quả kinh tế vận hành ...................................11
1.3. Công suất phản kháng ...................................................................................12

1.3.1. Khái niệm về công suất phản kháng ............................................................12
1.3.2. Sự tiêu thụ công suất phản kháng ................................................................13
1.4. Các nguồn phát công suất phản kháng trên lưới điện ................................13
1.5. Kết chương ......................................................................................................13

CHƯƠNG 2 - CÁC THUẬT TOÁN BÙ TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHẢN
KHÁNG ...............................................................................................................14
2.1. Tổng quan về bù công suất phản kháng .......................................................14
2.1.1. Bù CSPK sẽ làm giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng ...............14
2.1.2. Bù công suất làm cải thiện chất lượng điện áp ...........................................15
2.1.3. Bù CSPK làm tiết diện dây dẫn giảm ..........................................................15
2.1.4. Bù công suất phản kháng làm giảm công suất đặt của MBA ....................15
2.1.5. Bù công suất phản kháng làm tăng khả năng tải cho mạng điện ..............15
2.2. Các thuật toán bù tối ưu công suất phản kháng trong LĐPP ....................15

2.2.1. Xác định dung lượng bù CSPK để nâng cao hệ số công suất cosφ...........16

2.2.2. Thuật toán tính bù CSPK theo điều kiện cực tiểu tổn thất công suất ........16
2.2.2.1. Phân phối dung lượng bù trong mạng hình tia ........................ 16
2.2.2.2. Phân phối dung lượng bù trong mạng phân nhánh ................. 19
2.2.3. Thuật toán bù công suất phản kháng theo điều kiện điều chỉnh điện áp ..19
2.2.3.1. Xác định dung lượng bù CSPK khi đặt thiết bị bù tại 1 trạm .. 19
3


2.2.3.2. Xác định dung lượng bù CSPK khi đặt thiết bị bù tại nhiều
trạm..................................................................................................... 24
2.2.4. Thuật toán tính toán bù theo chương trình PSS/Adept ...............................27
2.2.4.1. Phương pháp tính kinh tế trong bù tối ưu ................................. 27
2.2.4.2. Thuật toán tìm vị trí đặt tụ bù tối ưu ......................................... 28
2.3. Kết chương ......................................................................................................31

CHƯƠNG 3 - TỔNG QUAN LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP CÔNG TY ĐIỆN LỰC
SÓC SƠN ............................................................................................................33
3.1. Đặc điểm tự nhiên và kinh tế - xã hội của địa phương ...............................33
3.1.1. Đặc điểm tự nhiên và kinh tế ........................................................................33
3.1.2. Dân số và cơ cấu hành chính .......................................................................33
3.2. Tình hình cung cấp điện hiện tại và xu hướng tăng trưởng trong những năm
tới .....................................................................................................................35
3.3. Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế lộ đường dây 478-E19 ..........................37
3.4. Các số liệu tính toán .......................................................................................40
3.5. Kết chương ......................................................................................................48

CHƯƠNG 4 - TÍNH TOÁN BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO LỘ
ĐƯỜNG DÂY 478-E19 BẰNG PHẦN MỀM PSS/ADEPT ...........................49
4.1. Một số chức năng tính toán của phần mềm PSS/ADEPT ..........................49
4.2. Cách bước tính CAPO trong PSS/ADEPT ..................................................51

4.2.1. Xây dựng sơ đồ tính toán ..............................................................................51
4.2.2. Thiết lập các thông số kinh tế lưới điện cho CAPO....................................51
4.2.3. Cách PSS/ADEPT tính các vấn đề kinh tế trong CAPO ............................53
4.2.4. Thiết lập các tùy chọn cho phép phân tích CAPO ......................................53
4.2.5. Cách PSS/ADEPT tìm vị trí đặt tụ bù tối ưu ...............................................55
4.2.6. Cách chạy bài toán tìm vị trí đặt tụ bù tối ưu..............................................57
4.2.7. Report sau khi phân tích và tính toán ..........................................................57
4.3. Tính toán theo phần mềm PSS/Adept ..........................................................58

4.3.1. Thông số và sơ đồ mô phỏng lộ 478-E19 Sóc Sơn .....................................59
4.3.2. Các kịch bản bù công suất phản kháng cho lộ đường dây 478-E19 .........61
4.3.2.1. Kịch bản 1 ................................................................................... 62
4.3.2.2. Kịch bản 2 ................................................................................... 64
4.3.2.3. Kịch bản 3 ................................................................................... 65
4


4.3.2.4. Kịch bản 4 ................................................................................... 65
4.3.2.5. Kịch bản 5 ................................................................................... 66
4.3.2.6. Kịch bản 6 ................................................................................... 66
4.4. Kết chương ......................................................................................................67

CHƯƠNG 5 - KẾT LUẬN VÀ CÁC ĐỀ XUẤT .............................................69
1.1. Kết luận ...........................................................................................................69
1.2. Kiến nghị .........................................................................................................69
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................71
PHỤ LỤC ............................................................................................................72

5

CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
CĐXL:

Chế độ xác lập

CSPK:

Công suất phản kháng

CSTD:

Công suất tác dụng

HTĐ:

Hệ thống điện

MBA:

Máy biến áp

LĐPP:

Lưới điện phân phối

SVC:

(Static Var Compensator) Thiết bị bù ngang dùng để tiêu thụ CSPK
có thể điều chỉnh bằng cách tăng hay giảm góc mở của thyristor.

EVN:
( GAS)

Tập đoàn Điện lực Việt Nam
thuật toán di truyền

( EP )

( Ellolytionry Programmiry) chương trình phát triển

PSEA

( Strength Preto evolutionary algoithon) thuật toán cải tiến

SWARM

số lượng các phần tử

CAPO

bù tự động

Nobi

số lượng hàm mục tiêu

6

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Số đường dây do điện lực quản lý
Bảng 3.2. Số liệu máy biến áp lộ 478-E19
Bảng 3.3. Số liệu đường dây lộ 478-E19
Bảng 3.4: Số liệu phụ tải các trạm lộ 478-E19
Bảng 3.5: Bảng tính toán dòng công suất trên lưới
Bảng 3.6: Bảng tính toán tổn thất lộ 478- E19 khi chưa đặt bù
Bảng 3.7: Dung lượng tụ bù theo chỉ tiêu kinh tế tại các nút trên lưới
Bảng 3.8: Bảng tính toán tổn thất lộ 478-E19 khi đặt bù
Bảng 3.9: Bảng so sánh kết quả khi đặt bù
Bảng 4.1. Bảng giá trị suất đầu tư tụ bù trung áp cố định
Bảng 4.2.Giá trị cài đặt cho thẻ Economics
Bảng 4.3. Vị trí và dung lượng bù ở lưới trung áp theo phần mềm PSS/Adept
Bảng 4.4: So sánh kết quả tại một số nút trong các trường hợp
Bảng 4.5: So sánh kết quả trong các trường hợp đặt bù

7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Thuật toán xác định vị trí nút bù CSPK
Hình 1.2: Phụ tải tăng giữ nguyên cos
Hình 1.3: Quan hệ giữa P, P, Q
Hình 2.1: Phân phối dung lượng bù trong mạng hình tia
Hình 2.2: Phân phối dung lượng bù trong mạng phân nhánh
Hình 2.3: Sơ đồ mạng điện dùng máy bù đồng bộ để điều chỉnh điện áp
Hình 2-4: Sơ đồ mạng điện có phân nhánh
Hình 2.5: Sơ đồ mạng điện kín
Hình 2.6: Mạng điện có đặt bù tụ điện tại hai trạm biến áp Tb và Tc
Hình 2.7: Điều chỉnh điện áp trong mạng điện kín bằng tụ điện

Hình 2.8: Bù tại nút phụ tải
Hình 2.9: Đồ thị phụ tải phản kháng năm
Hình 2.10: Sơ đồ tính toán dung lượng bù tại nhiều điểm.
Hình 3.1: Bản đồ huyện Sóc Sơn
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý đường dây lộ 478 – E19
Hình 3.3: Sơ đồ thay thế đường dây lộ 478 – E19
Hình 4.1: Sơ đồ khối tính toán của chương trình
Hình 4.2: Hộp thoại thiết đặt thông số kinh tế trong CAPO
Hình 4.3: Hộp thoại thiết đặt thông số trong CAPO
Hình 4.4: Kết quả tính toán CAPO
Hình 4.5: Mô tả sơ đồ lộ 478-E19 Sóc Sơn trên phần mềm PSS/adept

8


CHƯƠNG MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây việc cung ứng và đảm bảo chất lượng điện năng là
một chỉ tiêu rất quan trọng của ngành điện nhằm nâng cao chất lượng cung cấp điện và
đảm bảo tốt hiệu quả trong kinh doanh. Một trong các biện pháp nâng cao chất lượng
điện năng trên lưới điện, ngành điện thực hiện nhiều giải pháp đồng bộ trong đó giải
pháp bù trên lưới phân phối được sử dụng nhiều nhất và mang lại hiệu quả kinh tế
cao.Có nhiều phương pháp nghiên cứu đã và đang được thực hiện và mỗi phương pháp
nghiên cứu chúng ta đều đưa ra được các thuật toán riêng cho phương pháp đó.
Tuy nhiên ở mỗi phương pháp nghiên cứu và áp dụng đều có những ưu nhược
điểm nhất định. Vì vậy trong khuôn khổ của luận văn tác giả đi nghiên cứu một số
thuật toán bù tối ưu công suất phản kháng và đánh giá những ưu nhược điểm của từng
thuật toán đó, nhằm chọn ra được thuật toán thích hợp. Trên cơ sở đó dùng phần mềm
đã được áp dụng để tính toán bù tối ưu cho một lưới phân phối cụ thể, để chứng minh
cho nghiên cứu của mình, làm cơ sở cho hướng nghiên cứu cho các đề tài tiếp theo.

2. Tên đề tài: Nghiên cứu và đánh giá các thuật toán bù tối ưu công suất
phản kháng
3. Tóm tắt nội dung luận văn
Chương 1. Tổng quan về công suất phản kháng trong lưới điện
phân phối
Chương 2. Các thuật toán bù tối ưu công suất phản kháng
Chương 3. Tổng quang lưới điện trung áp Công ty điện lực Sóc
Sơn
Chương 4. Tính toán bù công suất phản kháng cho lộ đường dây
478-E19 bằng phần mềm PSS/Adept.
Chương 5. Kết luận và kiến nghị
4. Mục đích của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

9


Đề tài “ Nghiên cứu áp dụng các thuật toán tính bù tối ưu công suất phản kháng
để giảm tổn thất điện năng trong lưới điện phân phối” trình bày các thuật toán bù tối ưu
công suất phản kháng trong lưới điện phân phối.
Đề tài tiến hành nghiên cứu một số thuật toán của các tác giả đã được đăng trên
các tạp chí và luận văn đã hoàn thành trước. Trên cơ sở đó đánh giá được các ưu nhược
điểm của thuật toán.
Áp dụng mô phỏng một lưới điện cụ thể bằng phần mềm PSS/Adept 5.0 ứng
dụng cho lưới điện phân phối của công ty Điện lực Sóc Sơn – tổng công ty Điện lực Hà
Nội.

5. Các phương pháp luận cơ bản và đóng góp mới
Với mục đích như trên nội dung cơ bản của luận văn bao gồm:
 Tìm hiểu các thuật toán bù tối ưu CSPK

 Đánh giá lựa chọn phương pháp thích hợp
 Áp dụng vào lưới điện phân phối của công ty Điện lực Sóc Sơn
 Sử dụng phần mềm PSS/Adept 5.0 áp dụng
Để hoàn thành luận văn này, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo
TS. Lê Việt Tiến cùng các thầy cô trong bộ môn Hệ thống điện – Viện Điện – Trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình làm
luận văn.
Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận
lợi và có những đóng góp quý báu cho bản luận văn.
Để bản luận văn trở nên hoàn chỉnh và hướng nghiên cứu trong bản luận văn
được phát triển tiếp, tác giả rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo, bạn bè
và bạn đọc.
Xin trân trọng cảm ơn!

10


CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
1.1.

Tổng quan chung

1.1.1. Tổng quát
Lưới điện Việt Nam được hình thành và phát triển qua nhiều giai đoạn, do đó

có nhiều đặc điểm và cấu hình lưới khác nhau. Sau những năm 1975, do nhu cầu
phát triển của hệ thống điện và qui chuẩn lưới điện phân phối, năm 1993 Bộ Năng
lượng có quyết định số 149 ML/KHKT ngày 24/3/1993 chuyển đổi các cấp trung áp
về 22kV cho lưới điện phân phối Việt Nam.

1.1.2. Đặc điểm chung của lưới điện phân phối
Nguồn cấp điện chính cho lưới điện phân phối (LĐPP) là từ thanh cái phía

trung áp của các trạm 110kV.
Lưới điện phân phối gồm 2 phần: Lưới phân phối trung áp và lưới phân phối
hạ áp. LĐPP phân bố trên diện rộng, thường vận hành không đối xứng và có tổn
thất khá lớn, LĐPP thường có cấu trúc kín nhưng vận hành hở, hình tia hoặc dạng
xương cá. Khi sự cố phần lưới sau máy cắt gần điểm sự cố nhất về phía nguồn bị cắt
điện, sau khi cô lập đoạn lưới sự cố, phần còn lại sẽ được đóng điện để vận hành.
LĐPP rất quang trọng trong việc cung cấp điện đầy đủ cho phụ tải do đó việc
nghiên cứu, thiết kế và vận hành hệ thống LĐPP hết sức quan trọng. Do đó phải
đảm bảo được những yêu cầu cơ bản nhất đó là:
- Đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện
- Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị
- Vận hành linh hoạt, dễ dàng bảo dưỡng và sửa chữa
- Có khả năng mở rộng trong tương lai
- Có tính kinh tế
1.2.

Các biện pháp nâng cao hiệu quả kinh tế vận hành

LĐPP ảnh hưởng lớn đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của hệ thống điện do
đó việc nâng cao hiệu quả vận hành và cải thiện LĐPP rất quan trọng. Các biện
11


pháp nâng cao này hầu hết nhằm mục đích giảm chỉ tiêu tổn thất công suất, tổn thất
điện năng. Để có thể giải quyết được các vấn đề kinh tế kỹ thuật trong LĐPP,
thường có các bài toán điển hình:
- Bài toán tối ưu hóa cấu trúc sơ đồ lưới

- Bài toán điều khiển và vận hành lưới 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.
Trong các bài toán này, việc đặt thiết bị bù tối ưu là một trong những biện
pháp kỹ thuật giải quyết hiệu quả tổn hợp nhất. Tuy nhiên bài toán bù CSPK trong
LĐPP là bài toán phức tạp do một số nguyên nhân:
- LĐPP có cấu trúc phức tạp, cấu trúc lưới liên tục phát triển theo thời gian
và không gian. Chế độ làm việc của phụ tải không đồng nhất và tăng
trưởng không ngừng.
- Thiếu thông tin chính xác về đồ thị phụ tải
- Công suất tụ là biến rời rạc
Trước các khó khăn đó, để có thể giải quyết được bài toán bù, phải phân chia
bài toán bù thành các bài toán nhỏ hơn và áp dụng các giả thiết giản ước khác nhau.
Các giải thiết giản ước phải đảm bảo không làm sai lệch nhiều đến kết quả tính
toán, đảm bảo phương pháp giải gần với lời giải tối ưu lý thuyết. Bài toán bù CSPK
trong LĐPP giải quyết được nhiều vấn đề cơ bản trong công tác tối ưu hóa hệ thống
cung cấp điện, trong đó tính tổng quát của bài toán được xét trên nhiều phương diện
khác nhau. Luận văn sẽ nghiên cứu giải quyết bài toán đặt thiết bị bù để nâng cao
hiệu quả kinh tế trong LĐPP.
1.3.

Công suất phản kháng

1.3.1. Khái niệm về công suất phản kháng
CSPK là thành phần công suất tiêu thụ trên điện cảm hay phát ra trên điện

dung của mạch điện.

12

1.3.2. Sự tiêu thụ công suất phản kháng
Trên lưới điện, CSPK thường được tiêu thụ ở các động cơ không đồng bộ,

máy biến áp, kháng điện trên đường dây và ở các thiết bị có liên quan đến từ trường.
Yêu cầu về CSPK chỉ có thể giảm đến tối thiểu chứ không thể triệt tiêu được
vì nó cần thiết để tảo ra từ trường, yếu tố trung gian trong quá trình chuyển hóa điện
năng.
1.4.

Các nguồn phát công suất phản kháng trên lưới điện

Khả năng phát CSPK của các nhà máy điện là rất hạn chế do hệ số công suất
của các nhà máy khá cao, hơn nữa vì lý do kinh tế nên người ta không thể chế tạo
các máy phát có khả năng phát nhiều CSPK cho phụ tải. Các máy phát chỉ có thể
đảm đương một phần nhu cầu CSPK của phụ tải, phần còn lại do các thiết bị bù đảm
trách (máy bù đồng bộ, tụ điện).
Ngoài ra trong hệ thống điện, một nguồn pháp CSPK khác đó là các đường
dây tải điện, đặc biệt là đường dây siêu cao áp. Tuy nhiên ở đây ta chỉ xét đến lưới
phân phối, do vậy chỉ lưu ý đến các trường hợp đường dây trung áp, ở các đường
dây này CSPK phát ra từ các phần tử cũng không đáng kể nên nguồn phát CSPK
chính trong lưới phân phối vẫn là tụ điện và máy bù.
1.5.

Kết chương

LĐPP cung cấp điện năng trực tiếp cho phụ tải và phải yêu cầu đảm bảo chất
lượng điện năng cho khách hàng. LĐPP có nhiều ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế
kỹ thuật của hệ thống điện, nên việc nghiên cứu thiết kế, vận hành tố ưu LĐPP sẽ

đem lại lợi ích lớn. Có nhiều biện pháp nâng cao hiệu quả kinh tế vận hành LĐPP,
trong đó biện pháp bù CSPK là một trong những biện pháp hữu hiệu.
Do đó vấn đề nghiên cứu, tính toán bù CSPK trong LĐPP để đáp ứng cho phụ
tải nhằm mang lại hiệu quả trong công tác quản lý vận hành lưới điện cung như
nâng cao chất lượng cung cấp điện cho khách hàng là một trong những mục tiêu lớn
mà ngành Điện đã và đang đặt ra.

13


CHƯƠNG 2 - CÁC THUẬT TOÁN BÙ TỐI ƯU CÔNG SUẤT

PHẢN KHÁNG
2.1.

Tổng quan về bù công suất phản kháng
Công suất phản kháng đặc trưng cho quá trình tích và phóng năng lượng giữa

nguồn điện và phụ tải. Công suất phản kháng tạo ra từ trường để từ hóa lõi thép của
các loại máy điện: như máy biến áp,động cơ điện, gây ra biến đổi từ thông để tạo ra
suất điện động phía thứ cấp, CSPK đặc trưng cho khâu tổn thất từ tản,vì vậy CSPK hết
sức cần thiết trong việc duy trì điện áp, khi lượng CSPK trong hệ thống bị thiếu hụt
chất lượng điện áp giảm xuống dưới mức tiêu chuẩn, ánh hưởng đến sự làm việc bình
thường của các thiết bị tiêu thụ điện.Vì vậy bù CSPK sẽ mang lại các hiệu quả sau:
- Giảm công suất phát tại các nhà máy điện
- Giảm công suất truyền tải.
- Giảm dung lượng MBA tại các trạm biến áp.
- Giảm được công suất tác dụng yêu cầu ở chế độ cực đại của hệ thống điện (do
giảm tổn thất công suất tác dụng), vì vậy giảm được dự trữ công suất tác dụng (tăng độ
tin cậy) của hệ thống.

- Cải thiện hệ số công suất.
- Giảm tổn thất điện năng (tổn thất đồng).
- Giảm độ sụt áp và cải thiện việc điều chỉnh điện áp.
- Giảm công suất trên các xuất tuyến và các phần tử liên quan.
- Trì hoãn hoặc giảm bới chi phí mở rộng nâng cấp lưới điện.
- Tăng lợi nhuận.
2.1.1. Bù CSPK sẽ làm giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng
Từ công thức tính tổn thất công suất:

(2.1)
Ta thấy tổn thất công suất tác dụng tỷ lệ thuận với bình phương công suất phản
kháng truyền tải. Sau khi bù thì lượng CSPK thực tế phải truyền tải là ( Q - Qb ) < Q do
đó P (sau bù) < P.

14


2.1.2. Bù công suất làm cải thiện chất lượng điện áp
Ta biết:
(2.2)
Ta thấy thành phần tổn thất Ux tỷ lệ thuận với công suất phản kháng, khi giảm
tổn thất điện áp vì vậy điện áp sẽ được nâng lên.
2.1.3. Bù CSPK làm tiết diện dây dẫn giảm
Công suất truyền tải trên đường dây theo biểu thức:
(2.3)
Khi bù một lượng công suất phản kháng là Qb thì biểu thức (1.3) trở thành:
(2.4)
Nhìn vảo biểu thức trên ta thấy S giảm đi nghĩa là công suất toàn phần giảm đi,
vì vậy mà chọn tiết diện dây dẫn theo công suất tải nhỏ đi – tiết kiệm được một lượng
kim loại màu đáng kể và dễ thi công, lắp đặt đường dây.

2.1.4. Bù công suất phản kháng làm giảm công suất đặt của MBA
Khi lắp bù ở phụ tải công suất biểu kiến chuyên trở qua MBA sẽ giảm xuống,
đến một mức độ nào đó làm cho ta có thể chọn công suất của MBA bé đi, dẫn đến hiệu
quả kinh tế mang lại rất đáng kể. Có thể giảm được tỉ lệ MBA vận hành non tải tăng hệ
số cos.
2.1.5. Bù công suất phản kháng làm tăng khả năng tải cho mạng điện
Do nhu cầu dùng điện ngày càng tăng nên công suất truyền tải trên lưới điện liên
tục tăng. Khi ta đặt thiết bị bù thì sẽ giảm được lượng CSPK trên đường dây, làm cho
công suất tác dụng chuyên trở trên đường dây tăng lên.
2.2.

Các thuật toán bù tối ưu công suất phản kháng trong LĐPP
Tối ưu hóa CSPK là quá trình cải thiện chất lượng điện áp, cực tiểu hóa tổn thất

công suất tác dụng, và tìm vị trí tối ưu dưới các điều kiện vận hành khác nhau của hệ
thống. Trong những thập kỉ gần đây, người ta tiến hành phát triển những nghiên cứu
xung quanh vấn đề tối ưu hóa CSPK.
Hơn nữa, cấu trúc LĐPP và phương thức vận hành hệ thống không hợp lý, phụ
tải các pha không đối xứng sẽ làm tăng tổn thất và tiêu thụ CSPK lớn hơn thực tế.

15


Chính vì vậy cần phải có các phương pháp cũng như thuật toán nhằm mục đích bù hiệu
quả CSPK trong lưới, trước hết cần phải nghiên cứu bù tự nhiên trước khi bù nhân tạo
để khắc phục các thiếu sót trong các khâu quản lý, vận hành, phân phối, tiêu thụ điện ...
nhằm hạn chế tiêu thụ CSPK quá mức, biện pháp này không đòi hỏi vốn đầu tư mà phụ
thuộc tính toán và quản lý vận hành LĐPP.
Để giải bài toán bù CSPK trong lưới điện, hiện nay đã có hàng loạt phương pháp
được đề cập. Tuy nhiên do cách đặt vấn đề, mục tiêu đặt ra và các quan điểm khác

nhau về các yếu tố ảnh hưởng đến lời giải bài toán như sự biến thiên theo thời gian của
phụ tải, về kết cấu hình dáng lưới điện, về điện áp lưới điện, về tính chất các loại thiết
bị bù nên các phương pháp và thuật toán giải bài toán bù CSPK trong lưới điện đều có
dạng và hiệu quả khác nhau. Sau đây trình bày một số phương pháp tính toán bù CSPK
cho lưới phân phối.
2.2.1. Xác định dung lượng bù CSPK để nâng cao hệ số công suất cosφ
Giả sử hộ tiêu thụ điện có hệ số công suất là cos1, muốn nâng hệ số công suất
này lên cos2 (cos2 > cos1), thì phải đặt dung lượng bù là bao nhiêu?
Với dạng bài toán này thì dung lượng bù được xác định theo công thức sau:
Qbu = P(tg1 - tg2 ) α kVAr

(2.5)

Trong đó: P – phụ tải tính toán của hộ tiêu thụ điện, kW;
α = 0,9 ÷ 1 – hệ số xét tới khả năng nâng cao cosφ bằng những phương
pháp không đòi hỏi đặt thiết bị bù.
Hệ số công suất cos2 nói ở trên thường lấy bằng hệ số công suất do cơ quan
quản lý hệ thống điện quy định cho mỗi hộ tiêu thụ phải đạt được, thường nằm trong
khoảng cos = 0,8 – 0,95.
2.2.2. Thuật toán tính bù CSPK theo điều kiện cực tiểu tổn thất công suất
2.2.2.1.

Phân phối dung lượng bù trong mạng hình tia

Bài toán đặt ra là trong một mạng hình tia có n nhánh, tổng dung lượng bù là
Qbu, hãy phân phối dung lượng bù trên các nhánh sao cho tổn thất CSTD do CSPK

16

gây ra là nhỏ nhất để hiệu quả bù đạt được lớn nhất. Giả sử dung lượng bù được phân
phối trên các nhánh là Qbu1, Qbu 2…Qbu n. Phụ tải phản kháng và điện trở của các nhánh
lần lượt là Q1, Q2 …Qn và r1, r2…rn (hình 2-1).

Q
Qbu

r1

r2

rn

Q1

Q2

Qn

Qbu 1

Qbu 2

Qbu n

Hình 2-1: Phân phối dung lượng bù trong mạng hình tia
Tổn thất công suất tác dụng do CSPK gây ra được tính theo biểu thức sau:
ΔP =

 Q1 - Qbu 1 

2

U2

r1 +

 Q2 - Qbu 2 

2

U2

r2

Q - Q 
+ . . . + n bu n
U2

2

rn

= f(Qbu 1,Qbu 2,…,Qbu n)

(2.6)

Với điều kiện ràng buộc về cân bằng công suất bù là
φ(Qbu 1, Qbu 2…Qbu n) = Qbu 1 + Qbu 2 +…+ Qbu n - Qbu = 0
Để tìm cực tiểu của hàm ∆P = f(Qbu 1,Qbu 2,…,Qbu n) chúng ta có thể dùng phương

pháp nhân tử Lagrangie.
Chọn nhân tử  bằng  

2L
U2

(2.7)

Trong đó L – là hằng số sẽ được xác định sau.
Theo phương pháp nhân tử Lagrangie, điều kiện để ∆P có cực tiểu là các đạo hàm
riêng của hàm:
F = f(Qbu 1,Qbu 2,…,Qbu n) +(Qbu1, Qbu 2…Qbu n)
Đều triệt tiêu. Do đó, ta có hệ phương trình sau:

17

(2.8)


2(Q1 - Q bu 1 )
2L
 F
r1 + 2 = 0
2
 Q =U
U
 bu 1
 F
2(Q 2 - Q bu 2 )
2L

=r2 + 2 = 0

2
U
U
 Q bu 2
                 

2(Q n - Q bu n )
2L
 F
rn + 2 = 0
2
Q = U
U
 bu n

(2.9)

Giải hệ phương trình (2.9) chúng ta có
1
1
1
+...+ 
L = [(Q1,Q2,…,Qn) - (Qbù 1,Qbù 2,…,Qbù n)].  +
r2
rn 
 r1
n

Q

Đặt

i

-1

(2.10)

= Q – Tổng phụ tải phản kháng của mạng

i=1

n

Q

bu i

= Qbù – Tổng dung lượng bù của mạng

i=1

1
1
1
R td   +
+...+ 
r2

rn 
 r1

-1

– Điện trở tương đương của những nhánh có đặt thiết bị

bù của mạng.
Vậy có thể viết:

L = (Q - Qbù)Rtd.

(2.11)

Thay L vào hệ phương trình (2.9), chúng ta tìm được dung lượng bù tối ưu của
các nhánh là:
(Q - Q bu )

R td
 Q bu 1 = Q1 r1


(Q - Q bu )
R td
Q bu 2 = Q 2 r2

-----------------
(Q - Q bu )

R td

Q bu n = Q n rn


(2.12)

Để thuận tiện trong vận hành và giảm bớt các thiết bị đóng cắt, đo lường cho các
nhóm tụ, người ta quy định rằng nếu dung lượng bù tối ưu của một nhánh nào đó nhỏ
hơn 30 kVAr thì không nên đặt tụ điện ở nhánh đó nữa mà nên phân phối dung lượng
bù đó sang các nhánh lân cận.

18


2.2.2.2.

Phân phối dung lượng bù trong mạng phân nhánh

Một mạng phân nhánh như ở hình 2-2 có thể coi là do nhiều hình tia ghép lại.
Ví dụ 2: tại điểm 3 chúng ta có thể coi như có hai nhánh hình tia r3 và r4; tại
điểm 2 ta coi như có hai nhánh hình tia, một nhánh r2 và một nhánh nữa có điện trở
tương đương của phần phía sau. Nếu quan niệm như vậy chúng ta có thể áp dụng công
thức (2.8) để tính cho trường hợp mạng phân nhánh. Dung lượng bù của nhánh thứ n
được tính theo công thức sau:

Qbu n  Qn Q
Qbù
Q01

Q12

1

(Q(n-1),n - Qbu dat n )R tdn

Q23
r23

2

r12

r01
r1
Q1

(2.13)

rn

4

r34

r2
Q2

Q34

3

r4

r3
Q3

Q4

Hình 2-2: Phân phối dung lượng bù trong mạng phân nhánh
Trong đó: Qn – phụ tải phản kháng của nhánh thứ n; Q(n-1)n – phụ tải phản kháng
chạy trên đoạn từ điểm (n-1) tới điểm n; Qbu dat n- dung lượng bù đặt tại điểm n; Rtdnđiện trở tương đương của mạng kể từ điểm n trở về sau.
2.2.3. Thuật toán bù công suất phản kháng theo điều kiện điều chỉnh điện áp
2.2.3.1.

Xác định dung lượng bù CSPK khi đặt thiết bị bù tại 1 trạm

Giả thiết có một đường dây cung cấp điện như hình 2-3, có phụ tải tính toán là Sb
tại điểm b. Giả thiết rằng với điện áp UA ở đầu đường dây, điện áp Ub nhận được ở cuối
đường dây không thỏa mãn yêu cầu của phụ tải và cần thay đổi đến trị số yêu cầu
Ub(yc).
Vấn đề đặt ra là muốn điều chỉnh Ub thành Ub(yc) thì phải đặt máy bù đồng bộ hay
tụ điện tĩnh có dung lượng là bao nhiêu?

19


b
UA

R + jX
Sb = pb + j qb

S'b = pb + j( qb - Qbù)

Qbù
Qbù
Ub(yc)

Hình 2-3: Sơ đồ mạng điện dùng máy bù đồng bộ để điều chỉnh điện áp
Giả thiết CSPK cần phải bù tại b là Qbù thì phụ tải mạng sẽ là:
.

S'b = pb + j(q b - Qbu )

(2.14)

Ta có:
.

.

U A = U b(yc) + (u +j  u) =

 p b X - (q b - Q bu )R 
p R + (q b - Qbu )X 
=  U b(yc) + b
 + j

U b(yc)
U b(yc)





2

(2.15)


 pb X - (q b - Qbu )R 
pb R + (q b - Qbu )X 
2
 + 

Hay là: U A =  U b(yc) +
U b(yc)
U b(yc)




Khai triển biểu thức trên ta có:
2
U 2A = U b(yc)
+ 2[p b R + (q b - Qbu )X] +
2

 p R + (q b - Qbu )X 
 p b X - (q b - Qbu )R 
+  b
 + 


U b(yc)
U b(yc)





2

U 2b(yc) - U A2 + 2p b R + 2q b X - 2Q bu X +
+


2
p 2b R 2 + 2p b R(q b - Q bu )X + (q b2 - 2q b Q bu + Q bu
)X 2
U 2b(yc)
2
p 2b X 2 - 2p b R(q b - Q bu )X + (q b2 - 2q b Q bu + Q bu
)R 2
=0
U 2b(yc)

20

2


U

2
b(yc)

 R 2 +X 2 
- U + 2p b R + 2q b X + Q  2
 U b(yc) 


2
A

2
bu










R 2 + X 2 q b   R 2 + X 2 q 2b + p 2b
+
- 2 Q bu  X +

 
U 2b(yc)
U 2b(yc)


 



  = 0

2
2
2
 Z2 

Z2 q b   Z q b + p b
Q  2  - 2 Q bu  X + 2  + 
 U b(yc) 

U b(yc)  
U 2b(yc)




2
+ 2(p b R + q b X) + U b(yc)
- U A2 = 0
2
bu




  +



Z2
Ta đặt: A= 2
U b(yc)


Z2 q b 
B = 2 X + 2 

U b(yc) 


Z2 (q b2 + pb2 )
2
C=
+ 2(pb R + q b X) + U b(yc)
- U A2
2
U b(yc)
Ta sẽ có:

Qbu =

B  B 2  4 AC
2A

(2.16)

Khi tính toán:
- Nếu Qbù có dấu dương (+) nghĩa là máy bù cần làm việc ở trạng thái quá
kích thích.
- Nếu Qbù có dấu âm (-) nghĩa là máy bù cần làm việc ở trạng thái thiếu kích
thích.
Nếu bỏ qua không xét tới thành phần δu của véc tơ điện áp giáng ta có:

U A = U b(yc) +

pb R + (q b - Qbu )X
U b(yc)

(2.17)

Vậy công suất cần phải bù là:

Qbu =

U b(yc) (U b(yc) - UA ) + pb R + q b X
X
21

(2.18)


Nếu UA chưa biết mà chỉ biết có điện áp Ub ở cuối đường dây, ta sẽ tiến hành như
sau:

pb R + q b X
Ub

(2.19)

pb R + (q b - Qbu )X
U b(yc)

(2.20)

-

Khi chưa có thiết bị bù: U A = U b +

-

Khi có thiết bị bù: U A = U b(yc) +

Vì điện áp ở đầu đường dây trước và sau khi bù không đổi nên:

Ub +

pb R + q b X
p R + (q b - Qbu )X
= U b(yc) + b
Ub
U b(yc)

(2.21)

Giải ra ta có:

Qbu X
p R + qb X
p R + qb X
= U b(yc) - Ub + b
- b
U b(yc)
U b(yc)
Ub

(2.22)

Do Ub(yc) gần bằng Ub nên gần đúng coi tổn thất điện áp do Ub(yc) và Ub như nhau:

pb R + q b X
p R + qb X
= b
U b(yc)
Ub

(2.23)

Phương trình trên viết đơn giản như sau:

Qbu X
= U b(yc) - U b
U b(yc)

(2.24)

Vậy công suất cần phải bù là:

Qbu 

U b(yc)
X

U

b(yc)

- Ub 

(2.25)

Phân tích kết quả tính toán ta thấy:
- Nếu dùng công thức (2.23) thì dung lượng bù tính toán được sẽ chính xác nhất.
- Nếu dùng công thức (2.24) thì dung lượng bù tính được sẽ nhỏ hơn yêu cầu, sai
số từ (20 ÷25)%.
- Nếu dùng công thức (2.25) thì dung lượng bù tính được sẽ lớn hơn yêu cầu, sai
số từ (5÷15)%.
Trên cơ sở phân tích đó ta có kết luận như sau:
- Khi tính toán đường dây 220 kV thì dùng biểu thức (2.23).
- Khi tính toán đường dây (35÷110) kV thì dùng biểu thức (2.25).

22


- Biểu thức (2.24) cho kết quả kém chính xác và giảm công suất của máy bù, nên

không nên dùng.
Chú ý: Trong biểu thức tính Qbù ở trên, phải tính ở cùng một cấp điện áp. Ví dụ
nếu Ub, Ub(yc) là điện áp thực tế bên hạ áp thì X cũng phải quy đổi về bên hạ áp. Và xét
R, X là điện trở và điện kháng đẳng trị từ nguồn đến nơi đặt thiết bị bù.
+ Mạng hở phân nhánh (hình 2-4): Nếu muốn tìm dung lượng bù đặt tại thanh cái
hạ áp C của trạm biến áp B2 thì trong biểu thức (2.12) trị số của X sẽ bằng:
X = Xl1 + Xl2 + XB2
B

C

l2

A
l1

B2
B1
l3
B3

Hình 2-4: Sơ đồ mạng điện có phân nhánh
+ Mạng kín phức tạp (hình 2-5):
Ví dụ: Điện áp tại thanh cái hạ áp b cần phải thay đổi, để xác định công suất bù tại
b ta phải biến đổi mạng điện đó và đưa nó về dạng 1 đường dây nối từ A đến b (hình
2-5b)
Tổng trở đẳng trị của mạng cao áp là (3 đường dây song song):

Zdt =

(Z1 + Z2 )Z3 (Z4 + Z5 )
= R td + jX td
(Z1 + Z2 )Z3 + (Z1 + Z2 )(Z4 + Z5 ) + Z3 (Z4 + Z5 )

(2.26)

Điện kháng toàn bộ đường dây là: XΣ = Xtđ + XB2 (XB2 là điện kháng của máy
biến áp tại trạm B2). Vậy để tính Qbù tại trạm B2 vẫn dùng biểu thức (2.16) nhưng thay
X bằng XΣ .

23


Hình 2-5: Sơ đồ mạng điện kín:
a, Sơ đồ nối dây; b, Sơ đồ thay thế.
2.2.3.2.

Xác định dung lượng bù CSPK khi đặt thiết bị bù tại nhiều trạm

Trọng mạng điện có nhiều phụ tải, để giữ điện áp ở các hộ tiêu thụ điện trong giới
hạn cần thiết, thiết bị bù phải đặt không những ở một mà nhiều trạm biến áp. Ví dụ,
(hình 2-6) nếu đồ thị phụ tải của các Tb và Tc khác nhau, thì việc điều chỉnh điện áp
toàn mạng bằng thiết bị bù đặt ở một trạm là không thực hiện được.
1) Xác định dung lượng bù của mạng điện có 1 nguồn cung cấp
Xét phương pháp xác định dung lượng bù cần đặt tại hai trạm.
Gọi điện áp thứ cấp của hai trạm Tb và Tc là Ub và Uc. Giả thiết Ub và Uc không
thỏa mãn yêu cầu của phụ tải và cần phải đảm bảo điện áp trên thanh góp thứ cấp của
các trạm đó là Ub(yc) và Uc(yc).
c

A

B

1

2

Qbù b + Qbù c

Qbù c

C
Sc
TC
Qbù c

Tb
b
Sb

Qbù

Hình 2-6: Mạng điện có đặt bù tụ điện tại hai trạm biến áp Tb và Tc

24


Gọi U’b, U’c, U’b(yc) và U’c(yc) là những điện áp bên thứ cấp (bên hạ áp) đã qui đổi
về bên cao áp:

U’b = Ub.k

(2.27)

U’c = Uc.k

(2.28)

U’b(yc) = Ub(yc).k

(2.29)

U’c(yc) = Uc(yc).k

(2.30)

Vậy điện áp của trạm Tb cần phải thay đổi một trị số là:
Uob = U’b(yc) – U’b

(2.31)

Và điện áp của trạm Tc cần phải thay đổi một trị số là:
Uoc = U’c(yc) – U’c

(2.32)

Cũng như ở các mục trước, biết rằng sự thay đổi điện áp ở các trạm là do sự làm
việc của các thiết bị bù, vậy ta có thể thành lập được hai phương trình:
- Đối với mạch ABb có:

(Qbu.b + Qbu.c )X1
Q X
+ bu.b' Tb
U B(yc)
U b(yc)

Uob =

(2.33)

- Đối với mạch ABc có:

Uoc =

(Qbu.b + Qbu.c )X1
Q (X + XTc )
+ bu.c ' 2
U B(yc)
Uc(yc)

(2.34)

Trong đó:
+ X1, X2 là điện kháng của dây dẫn trên đoạn 1 và 2
+ XTb, XTc là điện kháng của máy biến áp của trạm b và c
+ UB(yc) là điện áp yêu cầu tại điểm B của mạng điện. Điện áp này chưa
biết, nhưng với sai số không lớn, điện áp này có thể tính như sau:

U B(yc)
UB

=

U'b(yc)
U'b

 U B(yc) = U B

U'b(yc)
U'b

(2.35)

Với UB là điện áp trên thanh góp cao áp của trạm Tb trước khi đặt thiết bị bù.
Giải hệ phương trình (2.33) và (2.34) ta sẽ tìm được công suất Qbù b và Qbù c cần
đặt tại hai trạm Tb và Tc

25