Tối ưu hóa vị trí đặt và dung lượng của tụ bù trong lưới điện phân phối

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

NGUYỄN THẾ AN

TỐI ƯU HÓA VỊ TRÍ ĐẶT VÀ DUNG LƯỢNG ĐẶT CỦA TỤ BÙ
TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN ĐỨC HUY

HÀ NỘI – NĂM 2014


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... 1
DANH MỤC TỪ NGỮ VIẾT TẮT .............................................................................. 2
DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... 3
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................... 4
LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 6
CHƯƠNG I .................................................................................................................. 7
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẤN ĐỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG HỆ
THỐNG ĐIỆN ............................................................................................................. 7
1.1. VẤN ĐỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ........... 7
1.2. NGUỒN PHÁT CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ....... 8
1.3. LỢI ÍCH CỦA VIỆC ĐẶT BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG ............................ 9
1.4. CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT – KINH TẾ CỦA VIỆC ĐẶT BÙ CÔNG SUẤT

PHẢN KHÁNG CHO HỆ THỐNG ĐIỆN.................................................................. 10
CHƯƠNG II ............................................................................................................... 15
MÔ HÌNH VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỂ GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA VỊ TRÍ
ĐẶT VÀ DUNG LƯỢNG ĐẶT TỤ BÙ TRÊN LƯỚI PHÂN PHỐI ......................... 15
2.1. MÔ HÌNH TỔNG QUÁT CỦA BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH DUNG LƯỢNG VÀ VÌ
TRÍ TỐI ƯU CỦA TỤ BÙ ......................................................................................... 15
2.1.1. Hàm mục tiêu ............................................................................................ 15
2.1.2. Các ràng buộc ............................................................................................ 17
2.1.3. Tính toán chế độ xác lập của lưới phân phối .............................................. 18
2.2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN PHÂN BỐ TỐI ƯU DUNG
LƯỢNG VÀ VỊ TRÍ ĐẶT TỤ BÙ ............................................................................. 23
2.2.2. Phương pháp tuyến tính hóa, xấp xỉ liên tiếp ............................................. 24
2.2.3. Phương pháp phân tích động theo dòng tiền tệ ........................................... 27


2.3. PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA TỤ BÙ ĐẾN TỔN THẤT CÔNG SUẤT TÁC
DỤNG VÀ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG CỦA LƯỚI PHÂN PHỐI TRONG CÁC
TRƯỜNG HỢP ĐƠN GIẢN NHẤT .......................................................................... 30
2.3.1. Lưới phân phối có một phụ tải ................................................................... 30
2.3.2. Lưới phân phối có phụ tải phân bố đều trên trục chính............................... 34
CHƯƠNG III ............................................................................................................. 37
ỨNG DỤNG MODULE CAPO TRONG PHẦN MỀM PSS/ADEPT ĐỂ GIẢI BÀI
TOÁN TỐI ƯU HÓA DUNG LƯỢNG VÀ VỊ TRÍ ĐẶT CỦA TỤ BÙ..................... 37
3.1. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM PSS/ADEPT ....................................................... 37
3.2. BÀI TOÁN PHÂN BỐ CÔNG SUẤT ................................................................. 38
3.3. BÀI TOÁN BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG (CAPO) .................................... 39
3.3.1. Cách PSS/ADEPT chọn vị trí bù tối ưu ..................................................... 39
3.3.2 Thiết lập các thông số kinh tế lưới điện cho CAPO ..................................... 43
3.4 ỨNG DỤNG MODULE CAPO GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU VỊ TRÍ ĐẶT VÀ
DUNG LƯƠNG ĐẶT TỤ BÙ CHO XUẤT TUYẾN 477E1.5 THANH XUÂN,

480E21 TÂY HỒ, 475E21 TÂY HỒ, 374E10.2 ỨNG HÒA HÀ NỘI; 971E27.4
THUẬN THÀNH, 384E27.4 THUẬN THÀNH BẮC NINH ..................................... 46
3.4.1. Cách nhập các thông số cơ bản của lưới điện trong phần mềm PSS/ADEPT
............................................................................................................................ 46
3.4.2. Phân bố công suất của lưới sau khi nhập dữ liệu ........................................ 50
3.4.3 Tính toán cho xuất tuyến 477E1.5 Thanh Xuân Hà nội ............................... 53
3.4.4 Tính toán cho các xuất tuyến còn lại ........................................................... 65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................... 70
PHỤ LỤC................................................................................................................... 73
VỊ TRÍ VÀ DUNG LƯỢNG ĐẶT CỦA CÁC XUÁT TUYẾN.................................. 73


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn “Tối ưu hóa vị trí đặt và dung lượng của tụ bù
trong lưới điện phân phối” là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được
công bố trong bất kỳ luận văn nào trước đây.
Hà Nội, tháng 3 năm 2014
Tác giả luận văn

Nguyễn Thế An

1


DANH MỤC TỪ NGỮ VIẾT TẮT
MBA: Máy biến áp.
TBA: Trạm biến áp
HTĐ: Hệ thống điện
HA: Hạ áp

TA: Trung áp
TTĐN: Tổn thất điện năng
TTCS: Tổn thất công suất
TBAPP: Trạm biến áp phân phối
ĐTPT: Đồ thị phụ tải
LĐPP: Lưới điện phân phối

2


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Thiết lập thông số kinh tế cho bài toán CAPO ............................................ 45
Bảng 3.2: Bàng tổng hợp kết quả sau khi tính toán chế độ xác lập .............................. 53
Bảng 3.3: Vị trí và dung lượng bù trung áp tại các nút ................................................ 56
Bảng 3.4: Phân bố công suất sau khi bù của xuất tuyến 477E1.5 ................................ 57
Bảng 3.5: Độ giảm tổn thất công suất sau CAPO chế độ cực đại ................................ 57
Bảng 3.6: Độ giảm tổn thất công suất sau CAPO chế độ bình thường ......................... 57
Bảng 3.7: Độ giảm tổn thất công suất sau CAPO chế độ cực tiểu ............................... 58
Bảng 3.8: Bảng kết quả tổn thất điện năng trước và sau khi thực hiện CAPO ............. 58
Bảng 3.9: Vị trí và dung lượng tụ bù bằng quy tắc 2/3 ................................................ 62
Bảng 3.10: Bảng kết tổn thất công suất sau khi đặt bù bằng quy tắc 2/3 ...................... 62
Bảng 3.11: Bảng kết độ giảm tổn thất công suất sau khi đặt bù bằng quy tắc 2/3 ........ 62
Bảng 3.12: Bảng kết quả tổn thất điện năng trước và sau khi thực hiện CAPO ........... 63
Bảng 3.13: Bảng so sánh vị trí và dung lượng đặt tụ bù .............................................. 63
Bảng 3.14: Bảng so sánh kết quả độ giảm tốn thất công suất ...................................... 63
Bảng 3.15: Bảng so sánh kết quả độ giảm tốn thất điện năng ...................................... 64
Bảng 3.16: Bảng so sánh hàm lợi ích chi phí thu được sau khi đặt bù ......................... 64
Bảng 3.17: Bảng so sánh vị trí và dung lượng đặt tụ bù .............................................. 65
Bảng 3.18: Bảng so sánh kết quả độ giảm tốn thất công suất của 6 xuất tuyến ............ 66
Bảng 3.19: Bảng so sánh kết quả độ giảm tốn thất điện năng 6 xuất tuyến .................. 67

Bảng 3.20: Bảng so sánh hàm lợi ích chi phí thu được sau khi đặt bù ......................... 68

3


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống điện đơn giản ...................................................................... 18
Hình 2.2: Sơ đồ mô phỏng tổng trở, tổng dẫn ............................................................. 18
Hình 2.3: Sơ đồ mô phỏng máy biến áp ...................................................................... 19
Hình 2.4: Ý tưởng giải bài toán bằng phương pháp Newton - Raphson....................... 20
Hình 2.5: Lưu đồ thuật toán Newton-Rapson: ............................................................. 21
Hình 2.6: Bù công suất phản kháng cho lưới đơn giản ................................................ 31
Hình 2.7: Trường hợp bù theo Qmin ............................................................................. 31
Hình 2.8: Trường hợp bù theo Qtb............................................................................... 31
Hình 2.9: Trường hợp bù theo Qmax ............................................................................ 32
Hình 2.10: Bài toán bù cho lưới có phụ tải phân bố đều trên trục chính ...................... 34
Hình 2.11: Vị trí đặt tụ sao cho là hiệu quả nhất ......................................................... 34
Hình 3.1: Bài toán phân bố công suất ......................................................................... 39
Hình 3.2: Lưu đồ thuật toán bù công suất phản kháng ................................................ 40
Hình 3.3: Các tùy chọn trong hộp thoại CAPO ........................................................... 41
Hình 3.4: Các chỉ tiêu kinh tế ..................................................................................... 43
Hình 3.5: Thẻ nhập số liệu nguồn ............................................................................... 47
Hình 3.6: Thẻ nhập số liệu đường dây ........................................................................ 47
Hình 3.7: Thẻ nhập số liệu máy biến áp ...................................................................... 48
Hình 3.8: Thẻ phân loại phụ tải................................................................................... 49
Hình 3.9 Thẻ phân loại phụ tải.................................................................................... 49
Hình 3.10: Đồ thị phụ tải đặc trưng lộ 477E1.5 Thanh Xuân ...................................... 50
Hình 3.11: Đồ thị phụ tải đặc trưng lộ 480E21 Tây Hồ Hà Nội................................... 51
Hình 3.12: Đồ thị phụ tải đặc trưng lộ 475E21 Tây Hồ Hà Nội................................... 51

Hình 3.13: Đồ thị phụ tải đặc trưng lộ 971E27.4 Thuận Thành Bắc Ninh ................... 52
Hình 3.14: Đồ thị phụ tải đặc trưng lộ 384E27.4 Thuận Thành Bắc Ninh ................... 52
4


Hình 3.15: Đồ thị phụ tải đặc trưng lộ 374E10.2 Ứng Hòa Hà Nội ............................. 53
Hình 3.16: Thẻ xây dựng đồ thị phụ tải....................................................................... 55
Hình 3.17: Sơ đồ nhánh 1 ........................................................................................... 59
Hình 3.18: Sơ dồ nhánh 2 ........................................................................................... 61

5


LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay quá trình phát triển kinh tế xã hội của nước ta đang phát triển mạnh
mẽ, đi cùng với điều đó thì việc đảm bảo nhu cầu về công suất và chất lượng điện năng
là rất quan trọng. Các nhà máy, xí nghiệp, các khu công nghiệp ngày càng phát triển
nhanh chóng đòi hỏi tiêu thụ công suất phản kháng ngày càng tăng dẫn điến việc nguồn
điện phát không đủ đáp ứng nhu cầu tiêu thụ của các phụ tải gây tổn hao công suất. ảnh
hưởng đến chất lượng nguồn điện và kinh tế. Để giảm bớt điều này một trong những
biện pháp khá hiệu quả là bù công suất phản kháng cho lưới.
Bài toán đặt ra là việc đặt tụ dung lượng bao nhiêu và vì trị tại đâu trong lưới
điện để có hiệu quả kinh tế và vẫn đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật cho hệ thống điện.
Do vậy, để khắc phục điều đó điều đó đề tài đi nghiên cứu các phương pháp bù
công suất phản kháng để xác định vị trí đặt tụ và dung lượng bù tối ưu cho lưới điện
phân phối, đồng thời cũng nghiên cứu cách sử dụng phần mềm PSS/ADEPT để tính
toán dung lượng và vị trí đặt tụ cho một lưới điện cụ thể

6

CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẤN ĐỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG
HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1. VẤN ĐỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG HỆ THỐNG
ĐIỆN
Công suất phản kháng được tiêu thụ ở động cơ không đồng bộ, máy biến áp,
đường dây điện và nơi có từ trường. Yêu cầu công suất phản kháng chỉ có thể giảm tới
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 hóa năng lượng. Yêu cầu công suất phản kháng
được chia như sau:
-

Động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng : 70 ÷ 80%. Công suất phản kháng
của động cơ không đồng bộ gồm hai thành phần:
+ Một phần nhỏ CSPK được sử dụng để sinh ra từ trường tản trong mạch

điện sơ cấp
+ Phần lớn CSPK còn lại dùng để sinh ra từ trường khe hở
Máy biến áp tiêu thụ: 15 ÷ 25% MBA nhu cầu CSPK tổng của lưới điện, nhỏ hơn
nhu cầu của các động cơ không đồng bộ do CSPK dùng để từ hóa lõi thép máy biến áp
không lớn so với động cơ không đồng bộ, vì không có khe hở không khí. Nhưng do số
thiết bị và tổng dung lượng lớn, nên nhu cầu tổng CSPK của MBA cũng rất đáng kể.
CSPK tiêu thụ bởi MBA gồm hai thành phần:
+ Công suất phản kháng được dùng để từ hóa lõi thép
+ Công suất phản kháng tản từ máy biến áp
-

Đường dây điện và các phụ tải khác : 5%

Nhu cầu công suất phản kháng chủ yếu là các xí nghiệp công nghiệp, cos  của
chúng dao động từ 0,5 ÷ 0,8 có nghĩa là cứ tiêu thụ 1kW công suất tác dụng thì chúng
yêu cầu từ 0,75 ÷ 1,7 kVAr công suất phản kháng. Trong xí nghiệp công nghiệp các
7


động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 60 ÷ 70%, máy biến áp tiêu thụ 15 ÷ 20%, các
phụ tải khác tiêu thụ 5 ÷ 10% tổng lượng công suất phản kháng yêu cầu. Do đó muốn
giảm yêu cầu công suất phàn kháng phải chú ý tới các động cơ không đồng bộ.
Nhu cầu công suất phản kháng ở các phụ tải sinh hoạt dân dụng không nhiều,
cos  của chúng thường lớn hơn 0,9.
Nhu cầu công suất phản kháng của các máy biến áp công suất nhỏ là khoảng
10% công suất định mức của chúng, ở các máy biến áp lớn là khoảng 3% còn các máy
biến áp siêu cao áp thì có thể từ 8 ÷ 10% ( để hạn chế dòng ngắn mạch ).
Đặc điểm của công suất phản kháng là biến thiên mạnh theo thời gian cũng như
công suất tác dụng. Yêu cầu công suất phản kháng được cho bằng đồ thị công suất
phản kháng ngày đêm hoặc đồ thị kéo dài hoặc ít nhất là giá trị cực đại và hệ số Kq =
Qtb/Qmax.
1.2. NGUỒN PHÁT CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG HỆ THỐNG
ĐIỆN
Về mặt nguồn công suất phản kháng ta thấy:
+ Khả năng phát công suất phản kháng của các nhà máy điện là rất hạn chế, cos
 = 0,85 ÷ 0,9. Vì lý do kinh tế người ta không làm các máy phát (MF) có khả năng
phát nhiều công suất phản kháng đủ cho các phụ tải ở chế độ phụ tải cực đại ( chế độ
max ). Các MF chỉ đảm nhận một phần công suất phản kháng của phụ tải, nó gánh
chức năng điều chính công suất phản kháng trong HTĐ, làm cho nó đáp ứng được
nhanh chóng yêu cầu thay đổi của phụ tải. Phần còn lại trông vào các nguồn công suất
phản kháng đặt thêm tức là các nguồn công suất bù.
+ Trong HTĐ còn phải tính đến một nguồn công suất phản kháng nữa đó là các
đường dây siêu cáo áp. Các đường dây này phát ra một lượng công suất phản kháng

đáng kể, trong chế độ max nó làm nhẹ đi khá nhiều vấn đề thiếu công suất phản kháng.
Nhưng trong chế độ non tải nó lại gây thừa công suất phản kháng đến mức có thể gây
ra tai biến phải đối phó bằng cách đặt các kháng điện nếu các đường dây này quá dài.
8


Tóm lại trong HTĐ phải bù cưỡng bức hay kỹ thuật một lượng công suất phản
kháng nhất định để đảm bảo cân bằng công suất phản kháng trong HTĐ. Lượng công
suất này phải điều chỉnh được để có thể thích ứng với các chế độ vận hành khác nhau
của HTĐ.
1.3. LỢI ÍCH CỦA VIỆC ĐẶT BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
Hầu hết các thiết bị sử dụng điện đều tiêu thụ CSTD (P) và CSPK (Q). Sự tiêu thụ
CSPK này sẽ được truyền tải trên lưới điện về phía nguồn cung cấp CSPK, sự truyền
tải công suất này trên đường dây sẽ làm tổn hao một lượng công suất và làm cho hao
tổn điện áp tăng lên đồng thời cũng làm cho lượng công suất biểu kiến (S) tăng, dẫn
đến chi phí để xây dựng đường dây tăng lên. Vì vậy việc bù CSPK cho lưới điện sẽ có
những tích cực như sau:
- Giảm được tổn thất điện áp trong mạng điện
Tổn thất điện áp được xác định theo công thức:
ΔU =

PR + QX
P
Q
=
R+
X = ΔU(P) + ΔU(Q)
U
U
U

(1.1)

Khi ta giảm Q truyền tải trên đường dây, ta giảm được thành phần ∆U (Q) do Q gây
ra. Từ đó nâng cao chất lượng điện áp cho lưới điện.
- Giảm được tổn thất công suất tác dụng trong mạng điện.
Ta có tổn thất công suất trên đường dây được xác định theo công thức:

P 2 + Q2
P2
Q2
ΔP =
R = 2 R + 2 R = ΔP(P) + ΔP(Q)
U2
U
U

(1.2)

Khi giảm Q truyền tải trên đường dây, ta giảm được thành phần tổn thất công suất
∆P(Q) do Q gây ra.

- Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp

9


Khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện phát
nóng, tức phụ thuộc vào dòng điện cho phép của chúng. Dòng điện chạy trên dây dẫn
và máy biến áp được tính như sau:

I=

P 2 + Q2
3U

(1.3)

Từ công thức trên cho thấy với cùng một tình trạng phát nóng nhất định của
đường dây và máy biến áp (tức I = const) chúng ta có thể tăng khả năng truyền tải công
suất tác dụng P của chúng bằng cách giảm công suất phản kháng Q mà chúng phải tải
đi. Vì thế khi vẫn giữ nguyên đường dây và máy biến áp, nếu giảm lượng Q phải
truyền tải thì khả năng truyền tải của chúng sẽ được tăng lên, góp phần làm ổn định
điện áp, tăng khả năng phát điện của máy phát điện…
Việc bù công suất phản kháng ngoài việc nâng cao hệ số công suất cosφ còn đưa
đến hiệu quả là giảm được chi phí kim loại màu tức giảm được tiết diện dây dẫn…nên
tiết kiệm được chi phí đầu tư xây dựng lưới điện. Giảm được chi phí điện năng.
1.4. CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT – KINH TẾ CỦA VIỆC ĐẶT BÙ CÔNG SUẤT
PHẢN KHÁNG CHO HỆ THỐNG ĐIỆN
1.4.1. Chỉ tiêu kỹ thuật
- Đảm bảo yêu cầu về hệ số công suất cos φ:
Các hộ gia đình thường có hệ số công suất cao, gần bằng 1 do đó mức
tiêu thụ CSPK thường ít, chỉ có các nhà máy, xí nghiệp phân xưởng… thường dùng
động cơ không đồng bộ là nguyên nhân tiêu thụ chủ yếu CSPK của lưới điện. Lượng
tiêu thụ phụ thuộc vào các yếu tố như dung lượng động cơ, động cơ có dung lượng
càng lớn thì lượng tiêu thụ CSPK càng nhỏ. Ngoài ra hệ số công suất của động cơ còn
phụ thuộc vào tốc độ quay, hệ số phụ tải của động cơ. Yêu cầu hệ số công suất này
không được thấp quá giới hạn cho phép theo quy định của ngành điện lực.
- Phải giảm tổn thất điện áp tới giới hạn cho phép
10

Ta có điện áp trên từng điểm trên hệ thống điện là không giống nhau, mọi
thiết bị đều có các dải điện áp làm việc định mức theo từng nhà sản xuất nhất định, các
thiết bị này sẽ không làm việc hiệu quả nếu điện áp đặt lên nó không phải là điện áp
định mức, điều này sẽ gây ra việc các thiết bị sẽ làm việc không hiệu quả, giảm tuổi thọ
sử dụng của các thiết ví dụ như các loại đèn chiếu sang, các loại thiết bị điện gia dung,
các loại động cơ không đồng bộ….
Việc đảm bảo điện áp ở giới hạn cho phép là một chỉ tiêu vô cùng quan
trọng, thế nhưng trong thực tế không thể nào giữ được điện áp đặt ở đầu cực các thiết
bị điện cố định bằng điện áp định mức mà chỉ có thể đảm bảo mức điện áp trong một
phạm vi nhất định nào đó theo một tiêu chuẩn đặt ra mà thôi, thông thường giới hạn
điện áp cho phép vào khoảng ± 5%
- Phải giảm tổn thất công suất tới giới hạn cho phép
Khi tính tổn thất công suất ta sử dụng công thức sau:
ΔS = ΔP  jΔQ

(1.4)

P 2 + Q2
R
Với : ΔP =
U2

P 2 + Q2
ΔQ =
X
U2
Như vậy ta thấy U2tỷ lệ nghịch với ∆P và ∆Q, vì vậy muốn giảm tổn thất
công suất ta có thể nâng cao điện áp của mạng điện.

Muốn nâng cao điện áp của mạng điện ta có thể có những phương pháp
như sau:
+ Nâng cao điện áp máy phát
+ Thay đổi đầu phân áp của các máy biến áp.
+ Sử dụng các thiết bị bù để nâng cao điện áp.
1.4.2. Chỉ tiêu kinh tế
11


Khi đặt các thiết bị bù thì việc đầu tiên ta cần quan tâm, tính toán đó là việc đạt
được các lợi ích kinh tế, nếu lợi ích về kinh tế thu được cho việc lắp đặt thiết bị bù lớn
hơn chi phí lắp đặt thì ta mới xem xét đến phương án đặt tụ bù.
Vấn đề đặt ra là việc lợi ích khi đặt bù và chi phí khi đặt bù phải có quan hệ mật
thiết với nhau, ta cần xem xét hai vấn đề này:
* Lợi ích khi đặt bù:
+ Giảm được công suất tác dụng yêu cầu ở chế độ max của HTĐ do
đó giảm được dữ trữ công suất tác dụng ( hoặc tăng độ tin cậy )
của HTĐ.
+ Giảm nhẹ tải của máy biến áp trung gian và đường trục trung áp
do giảm được yêu cầu của công suất phản kháng làm cho lưới lâu
phải cải tạo hơn.
+ Giảm được tổn thất điện năng.
+ Cải thiện được chất lượng điện áp trong lưới phân phôi.
* Chi phí khi đặt bù:
+ Vốn đầu tư và chi phi vận hành cho trạm bù.
+ Tổn thất điện năng trong trạm bù.
Trong đó vốn đầu tư là thành phần chủ yếu. Khi đặt tụ bù còn có nguy cơ quá áp
khi phụ tải min hoặc không tải và nguy cơ xảy ra cộng hưởng và tự kích thích ở phụ
tải. Các nguy cơ này ảnh hưởng đến vị trí và công suất trạm bù.
Vậy giải bài toán bù công xuất phản kháng là xác định: số lượng trạm bù, vị trí

đặt của chúng trên lưới phân phối, công suất bù ở mỗi trạm và chế độ làm việc của tụ
bù sao cho đạt hiệu quả kinh tế cao nhất, nói cách khác là làm sao cho hàm mục tiêu
đạt giá trị nhỏ nhất.
Nội dung cụ thể của bài toán bù phụ thuộc vào phương thức bù, có 2 cách đặt
bù:
1. Bù tập trung ở một số điểm trên trục chính lưới trung áp.
12


2. Bù phân tán ở các trạm phân phối hạ áp.
Cả hai cách đều có những điểm mạnh và điểm yếu riêng biệt. Nếu sử dụng cách
đầu thì công suất bù sẽ lớn, dễ dàng thực hiện việc điểu khiển, quản lý; nếu sử dụng
cách thứ hai vì bù ở các trạm hạ áp nên giảm được tổn thất công suất và tổn thất điện
năng nhiều hơn nhưng sẽ khó khăn trong việc lắp đặt và quản lý, ngoài ra do quá gần
phụ tải nên có thể gây ra các nguy cơ cộng hưởng và tự kích thích ở phụ tải cao. Chúng
ta phải nghiên cứu đánh giá cả hai phương án xem xét nên sử dụng cách nào cho hợp lý
nhất.
Tóm lại:
Như vậy, qua những phân tích trên ta thấy công suất phản kháng là một phần
không thể thiếu trong hệ thống điện, được sử dụng nhiều trong các thiết bị điện như
máy biến áp, động cơ không đồng bộ, các loại đèn chiếu sang, các thiết bị gia
dụng…Tuy nhiên trong quá trình truyền tải, do tổn hao trên đường dây, trên các máy
biến áp, trên các thiết bị động cơ nên xảy ra hiện tượng thiếu hụt một lượng công suất
phản kháng làm ảnh hưởng đến điện áp của hệ thống, đến tổn thất điện năng gây thất
thoát kinh tế. Chính vì vậy cần có những biện pháp để bù đắp lượng thiếu hụt công suất
đó, một trong những biện pháp đơn giản đó là đặt các thiết bị bù.
Bài toán toán đặt ra là dung lượng và vị trí đặt của các tụ bù là bao nhiêu và đặt
ở đâu để đảm bảo các tiêu chí về kỹ thuật và kinh tế. Bù kĩ thuật ở mức HTĐ do thiếu
công suất phản kháng được thực hiện bắt buộc vì thế gọi là bù cưỡng bức. Bù kĩ thuật ở
lưới trung, hạ áp không phải nhất thiết thực hiện vì còn có phương án khác để cân bằng

công suất phản kháng như điều áp dưới tải, tăng kích thước dây dẫn để phần bố lại
công suất phản kháng tất nhiên phải có điều kiện là lưới cấp trên phải có đủ công suất
phản kháng.
Bù kinh tế chỉ được thực hiện khi nó thực sự mang lại lợi ích nghĩa là lợi ích
kinh tế mà nó đem lại phải lớn hơn chi phí lắp đặt và vận hành trạm bù.

13


Trong quá trình thực hiện bài toán bù thì không thể tách bạch được hai loại bù
này mà phải kết hợp cả hai điều kiện để cho ra một kết quả tối ưu nhất

14


CHƯƠNG II
MÔ HÌNH VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỂ GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA VỊ
TRÍ ĐẶT VÀ DUNG LƯỢNG ĐẶT TỤ BÙ TRÊN LƯỚI PHÂN PHỐI
Như đã trình bày ở trên việc tiến hành giải bài toán bù công suất phản kháng bị
ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố như đồ thị phụ tải, kết cấu lưới điện, điện áp hệ thống
điện…Lưới điện phân phối có cấu trúc hết sức phức tạp, liên tục thay đổi theo thời gian
có nhiều trục chính cấp điệp cho nhiều trạm phân phối. Chính vì vậy việc có nhiều
phương pháp giải bài toán bù xác định dung lượng và vị trí đặt tụ bù cho lưới điện phân
phối, mỗi phương pháp cho một kết quả và hiệu quả khác nhau, tuy nhiên ta cần nghiên
cứu mô hình chung của các phương pháp này.
2.1. MÔ HÌNH TỔNG QUÁT CỦA BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH DUNG
LƯỢNG VÀ VÌ TRÍ TỐI ƯU CỦA TỤ BÙ
2.1.1. Hàm mục tiêu
Bài toán xác định dung lượng và vì trí đặt tối ưu của tụ bù trong hệ thống điện,
trong trường hợp tổng quát cần phải tối đa hóa hàm mục tiêu. Hàm mục tiêu là hàm lợi

ích thu được khi đặt bù, bao gồm các lợi ích thu được trừ đi chi phi đặt tụ bù:
S = F1[n,li,Qbi,Tbi,Qbi(t)] + F2[n,li,Qbi] + F3(Qbi) + F4(Qb) – F5(n,Qbi) – F6[n,Qbi,Tbi] (2.1)
Trong đó:
n: số trạm bù
li: vị trí trạm bù cho bằng độ dài kể từ nguồn đến trạm bù bằng km hay giá trị
tương đối so với độ dài lưới.
Qbi: công suất trạm bù
Tbi: thời gian đóng tụ bù cho trường hợp công suát bù không đổi theo thời gian
nhưng chỉ đóng vào lưới trong khoảng thời gian Tbikhi phụ tải cao. Trong thời gian còn
lại tụ bị cắt ra, nếu tụ làm việc liên tục thì Tbi = 8760h
15


Qbi(t): hàm thời gian của tụ bù nếu tụ bù có điều khiển công suất theo t
Qbi[kVar]: tổng công suất bù trên 1 trục chính:
Ý nghĩa của các thành phần trong hàm mục tiêu như sau:
- F1[n,li,Qbi,Tbi,Qbi(t)]: lợi ích thu được do giảm tổn thất điện năng so với trước
khi đặt bù. Ta có F1 = CA.∆A
CA: chi phí cho 1 kWh tổn thất điện năng
∆A: độ giảm tổn thất điện năng so với trước khi bù, phụ thuộc vào cấu
trúc lưới, đồ thị phụ tải, công suất phản kháng, cấu trúc trạm bù, số
lượng, vị trí, chế độ vận hành tụ
- F2[n,li,Qbi]: lợi ích thu được trên HTĐ do giảm được yêu cầu công suất tác
dụng ở thời điểm đỉnh của phụ tải do giảm được tổn thất công suất tác dụng do bù.
- F3(Qbi): lợi ít thu được ở trạm trung gian do giải phóng được công suất máy
biến áp
- F4(Qb): lợi ích của HTĐ do đặt tụ bù tính từ thanh cái cao áp của trạm khu vực
trở lên.
- F5(n,Qbi): chi phí một năm để đặt thiết bị bù.
- F6[n,Qbi,Tbi]: tổng tốn thất điện năng của các thiết bị bù

Trong 6 thành phần trên, tùy theo tình hình cụ thể có thể sử dụng tất cả hoặc
lược bỏ đi một số thành phần mà ảnh hưởng của nó đến lời giải không đáng kể.
Thường bỏ qua nhất là thành phần thứ 6 F6 vì hiện nay tổn thất trong các tụ bù là rất
nhỏ.Chi phí vận hành tụ bù F5 cũng không cần xét đến vì chi phí này cũng rất nhỏ.Sau
khi loại bỏ 2 thành phần ta dễ dàng nhận thấy thành phần lợi ích kinh tế cho lưới phân
phối là thành phần F1, các thành phần F2, F3, F4 là thành phần lợi ích đối với lưới
truyền tài.Nếu lưới điện phân phối và lưới hệ thống thuộc các chủ thể khác nhau thì bài
toán bù cho lưới phân phối, để tính lợi ích của việc đặt tụ chỉ cần xét đến thành phần
F1.

16


2.1.2. Các ràng buộc
Việc đặt tụ bù phải đảm bảo các chế độ của hệ thống điện phải nẳm trong dải
làm việc cho phép, đồng thời công suất bù cũng không được vượt quá phạm vi yêu cầu.
Trong nhiều trường hợp cần hạn chế lượng công suất phản kháng phát ngược về nguồn
trong chế độ cực tiểu.
Với mỗi phương pháp, lời giải ta cần tính toán chế độ xác lập của lưới điện, để
kiểm tra các thông số trạng thái của hệ thống (điện áp các nút, trào lưu công suất trên
các nhánh, công suất đầu nguồn…). Ngoài ra việc tính toán chế độ xác lập cho phép ta
xác định được tổn thất điện năng trong các lưới ở chế độ khác nhau, từ đó có thể tính
toán được lợi ích kinh tế khi đặt các thiết bị bù.
Ta viết lại hàm mục tiêu của bài toán đặt bù như sau:
F(Qbi,li,X) → min

(2.2)

Trong đó:
Qbi,li: dung lượng và vị trí bù

X: biểu diễn thông số trạng thái của hệ thống trong các chế độ xác lập
khác nhau.

X  [U11 , P11 ,Q11....U mN , PmN ,QmN ]

(2.3)

trong đó Uik , Pik ,Qik là điện áp, công suất tác dụng, công suất phản kháng
ở đầu nhánh i trong chế độ thứ k.
Trong bài toán tối ưu các biến Qbi, li, X phải thỏa mãn các rằng buộc:

Umin  Uik  Umax (2.4)
Pi,min  Pik  Pi,max

(2.5)

Qi,min  Qik  Qi,max

(2.6)

gk(Qbi,li,Xk) = 0, k = 1…N

(2.7)

17


k
k
k

k
k
k
k
trong đó X  [U1 , P1 ,Q1 ....U m , Pm ,Qm ] gk là rằng buộc tương ứng với chế độ

làm việc thứ k của hệ thống
2.1.3. Tính toán chế độ xác lập của lưới phân phối
2.1.3.1. Giới thiệu chung:
Chế độ xác lập là chế độ trong đó các thông số của chế độ hầu như không biến
đổi vào có thể coi là hằng số. Đây là chế độ làm việc bình thường của hệ thống điện
với các tham số đặc trưng: P, Q, I, S, S, f…
Mục đích chính của việc tính toán chế độ xác lập là nhằm phục vụ cho
quá trình vận hành, phục vụ cho các cơ quan và thiết kế, quá trình cải tạo, phát triển hệ
thống điện. Các số liệu trong chế độ xác lập là số liệu ban đầu của bài toán tính ổn định
của hệ thống điện.
2.1.3.2. Mô phỏng chế độ xác lập và một số phương pháp tính toán.
a. Mô phỏng chế độ xác lập:

MF

B1

DD

B2

Spt

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống điện đơn giản

* Các phần tử chính của mạng lưới điện trong tính toán chế độ xác lập:
- Đường dây: Mô phỏng qua tổng trở Z, tổng dẫn Y.
Z = R + jX

Y = G + jB

Hình 2.2:Sơ đồ mô phỏng tổng trở, tổng dẫn

18


- Máy biến áp: Mô phỏng qua tổn thất S0, tổng trở Zb, tỷ số biến áp KBA.
ZBA
∆ S0

KBA

Hình 2.3:Sơ đồ mô phỏng máy biến áp
- Các phần tử khác: Máy phát, thiết bị bù dọc, bù ngang…Mô phỏng qua tổng
trở Z/Y.
* Hệ phương trình cân bằng công suất nút:
- Xét hệ thống điện n nút, ta sẽ có (n-1) phương trình mô tả trạng thái cân bằng
cho HTĐ.
- Xét nút i có công suất Si, điện áp Ui, biểu diễn thông qua Ui, Ji.
- Hệ phương trình cân bằng công suất.
* *
S1 = U1 .J1
*
*
S

=
U
2

2 .J 2

*
*
Si = U i .J i


*
*
Sn = U n .J n

(2.8)

 Yêu cầu xác định Ui, Si.
* Ý tưởng giải bài toán: sử dụng phương pháp lặp, mỗi bước lặp là một bước tuyến
tính hóa. Phép lặp xuất phát từ trạng thái gần đúng ban đầu.
b. Một số phương pháp tính toán:
*) Phương pháp Newton-Raphson

19


- Cơ sở toán học: cho hàm y = f(x), hãy tìm điểm zero f(x) = 0 biết trạng thái
ban đầu x0.
- Ý tưởng của phương pháp:
+ Xuất phát từ điểm M0(x0,y0) (x0 lân cận điểm zêro), thay thế đường

cong lân cận M0 bởi đường thẳng tiếp tuyến tại M0, (tuyến tính hóa). Tìm nghiệm lân
cận x1 của đường thẳng tiếp tuyến.
+ Xác định điểm M1(x1,y1) càng lân cận điểm zero. Từ điểm M1 coi đoạn
đường cong là đường thẳng tiếp tuyến tại M1, xác định xấp xỉ mới.
+ Cứ tiếp tục thay thế đường cong bằng đường thẳng tiếp tuyến cho tới
khi tìm được giá trị thỏa mãn.

Hình 2.4: Ý tưởng giải bài toán bằng phương pháp Newton - Raphson
- Ứng dụng trong việc tính chế độ xác lập của hệ thống điện.
+ Từ trạng thái xấp xỉ U(k) cho tác động vào các nút của lưới điện theo
các luật vật lý (2 luật Kirhoff) thì hệ thống điện sẽ phản ánh phản ứng của mình là công
suất tại các nút S(k)(u(k)).
Từ U(k) tính công suất tại các nút S(k)
+ Mong muốn tính được U(k) sao cho ra giá trị S(k)  S ( công suất tại các
nút đã cho).
S(k) = Sbus - S(k).U(k) = 0
20


+ Hệ phương trình lặp N-R
S’(k)(U(k)).U(k) = -S(U(k))
Hay S’(k)(U(k)).U(k) = S(U(k))
Với S’(k)(U(k)): ma trận jacobi
- Sơ đồ khối thuật toán của phương pháp lặp Newton-Rapson:
Nhập dữ liệu nút,
đường dây

Tính ma trận tổng
dẫn Y

Cho nghiệm xấp xỉ
ban đầu

Tính Si (U(K))

∆S(K) = Si - Si (U(K))

0

|∆S(U(K)| ≤ 

Tính các thông số
chế độ khác

1
Gán nghiệm
xấp xỉ mới

Tính ma trận
Jacobi
Stop
Tính nghiệm xấp
xỉ mới

Hình 2.5: Lưu đồ thuật toán Newton-Rapson:
21


*) Phương pháp backward/forwad sweep
Phương pháp phổ biến nhất dùng để tính chế độ xác lập của hệ thống điện được

dựa trên hệ phương trình cân bằng công suất nút. Đối với hệ phương trình này ta có thể
sử dụng phương pháp lặp Newton-Raphson để tính toán chế độ xác lập của hệ thống.
Tuy nhiên đối với các lưới phân phối, phương pháp trên có độ tin cậy không cao do
lưới phân phối có tỷ lệ X/R không lớn. Để tính toán chế độ xác lập của lưới điện phân
phối có thể dựa vào đặc điểm cấu trúc hình tia của lưới để đưa ra một phương pháp giải
khác hiệu quả hơn. Trong phương pháp này lưới điện phân phối là hệ thống gồm m
nhánh là m + 1 nút.
Biến trạng thái được xác định theo từng nhánh, có m nhánh sẽ có 3m biến trạng
thái như sau:
x  [P1 Q1 U12 ,...,Pi Qi Ui2 ,...,Pm Qm Um2 ]T

(2.9)

Trong đó:
Pi: công suất tác dụng từ nút đầu nhánh i
Qi: công suất phản kháng từ nút đầu nhánh i
Ui: điện áp đầu nhánh i
Ta có các quan hệ sau ( nút j là nút cuối của nhánh):

Pout j  Pi - ri (Pi2  Qi2 )/Ui2  PLj

(2.10)

Qout j  Qi - xi (Pi2  Qi2 )/Ui2  QLj

(2.11)

U2j  Ui - 2(ri Pi2  x iQi2 )  (ri2  x i2 )(Pi2  Qi2 )/Ui2

(2.12)

Trong hệ phương trình trên, biến Pout j và Qout j được gọi là các biến giả bằng tổng
công suất tác dụng và phản kháng của các nhánh đi ra từ nút cuối j (không kể tải ở nút
j). Điện trở và điện kháng của nhánh ký hiệu lần lượt là ri và xi. Hệ phương trình trên
có thể viết lại như sau:

Pi  Pi - ri (Pi2  Qi2 )/Ui2  PLj  Pout j

22

(2.13)