Tính toán bù tối ưu công suất phản kháng lưới điện hạ thế thành phố đồng hới

1

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHAN THANH QUYỀN

TÍNH TỐN BÙ TỐI ƢU CƠNG SUẤT PHẢN KHÁNG

C
C

LƢỚI ĐIỆN HẠ THẾ KHU VỰC THÀNH PHỐ ĐỒNG HỚI

R
L
T.

DU

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 85 20 201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Võ Quang Sơn

Đà Nẵng, Năm 2019


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi.
Các số liệu, kết quả tính toán trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai cơng bố trong bất cứ cơng trình nào.

Tác giả luận văn

C
C

Phan Thanh Quyền

DU

R
L
T.


ii

TRANG TĨM TẮT TIẾNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH
Đề tài: TÍNH TỐN BÙ CƠNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO
LƢỚI ĐIỆN HẠ THẾ KHU VỰC THÀNH PHỐ ĐỒNG HỚI
Học viên: Phan Thanh Quyền - Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 85 20 201 - Khóa: K34 - Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt – Giảm tổn thất điện năng là một trong những mục tiêu cơ bản để đánh giá hiệu
quả trong công tác quản lý, vận hành hệ thống điện, các phần tử trong hệ thống điện là các
máy phát điện, máy biến áp, đƣờng dây. Nhiệm vụ của hệ thống điện là sản xuất, truyền tải và

phân phối điện năng đến các phụ tải và phải đảm bảo hiệu quả vận hành cao nhƣ chất lƣợng
điện áp, tổn thất điện năng, độ tin cậy và vận hành kinh tế.
Có rất nhiều phƣơng pháp để giảm tổn thất điện năng nhƣ các biện pháp về nghiệp vụ
quản lý, các biện pháp trong vận hành,… Trong đề tài này tác giả tiếp cận vấn đề từ góc độ bù
cơng suất phản kháng cho lƣới điện để giảm tổn thất điện năng ở các chế độ phụ tải cực đại,
cực tiểu, trung bình. Trên cơ sở các ứng dụng các cơng nghệ, phần mềm để phân tích, đánh
giá và đƣa ra giải pháp bù tối ƣu nhất cho lƣới điện hiện trạng. Việc này khơng địi hỏi nhiều
vốn đầu tƣ nhƣng hiệu quả mang lại là rất đáng kể.

C
C

R
L
T.

Tuy nhiên, để thực hiện tốt cơng tác này cần phải có số liệu đầu vào đầy đủ và cần phải
tính tốn phân tích chính xác. Do thời gian thực hiện luận văn có hạn nên tác giả chỉ nghiên
cứu, đề xuất giải pháp bù tối ƣu công suất phản kháng để giảm tổn thất điện năng cho lƣới
điện hạ thế thành phố Đồng Hới.

DU

Từ khóa – Bù tối ƣu cơng suất phản kháng, lƣới điện hạ thế, tổn thất điện năng, hiệu quả
vận hành.

Topic: RESEARCH ON RECONSTRUCTION OF BA DON DISTRIBUTION GRID
TO ENHANCE OPERATIONAL EFFICIENCY
Abstract - Operational efficiency is one of the basic objectives for evaluating the ability
to manage, operate electric power system, components of electric power system such as

generators, transformers, electrical lines, and so on. The function of the electric power system
is to produce, transmit and distribute energy to the loads and to ensure high operational
efficiency such as voltage, reliability, energy loss and economic operation. There are many
methods to improve, enhance operational efficiency such as management methods and
operational methods, but the author approaches the issues from the perspective of grid
reconstruction under normal operating conditions as well as troubleshooting conditions, under
technologies and software implementation based on available equipment and facilities.
Substantial investment is unnecessary but the its subsequent effect is remarkably significant.
However, in order to conduct this mission, it is necessary to obtain sufficient input and to
perfom accurate analysis. Due to the limited time of the thesis, the propose solutions
to optimally compensate reactive power to reduce power loss for low voltage grid in Dong
Hoi city.
Keywords - Reconstruction, Low voltage grid, energy loss, reliability, operational
efficiency.


iii

MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i
TRANG TĨM TẮT TIẾNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH ................................................... ii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................ vi
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................... viii
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................1
2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................1
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................2

C
C

4. Phƣơng pháp nghiên cứu ......................................................................................2
5. Bố cục của luận văn:.............................................................................................2
CHƢƠNG 1. ĐẶC ĐIỂM CỦA LƢỚI ĐIỆN HẠ THẾ, TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG
VÀ SỰ TIÊU THỤ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG ......................................................3

R
L
T.

DU

1.1. Đặc điểm của lƣới điện hạ thế ..................................................................................3
1.2. Tổn thất điện năng (TTĐN) và sự tiêu thụ công suất phản kháng (CSPK) .............4
1.2.1. Khái niệm về TTĐN .......................................................................................4
1.2.2. Sự tiêu thụ CSPK ............................................................................................4
1.2.3. Các nguồn phát CSPK ....................................................................................6
1.3. Sự phối hợp phát CSPK giữa các nguồn phát ..........................................................7
1.4. Phân tích ảnh hƣởng của tụ bù đến tổn thất công suất tác dụng và tổn thất điện
năng ở lƣới điện hạ thế ....................................................................................................8
1.4.1. Lƣới hạ thế một phụ tải: .................................................................................8
1.4.2. Lƣới hạ thế có phụ tải phân bố đều trên trục chính : ....................................11
CHƢƠNG 2. LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ BÙ CSPK CHO PHỤ TẢI HẠ THẾ –
MỘT SỐ MƠ HÌNH BÙ CSPK VÀ PHƢƠNG PHÁP TÍNH TỐN BÙ CƠNG
SUẤT PHẢN KHÁNG .................................................................................................15
2.1. Lý thuyết cơ bản về bù CSPK cho phụ tải hạ thế ...................................................15
2.1.1. Các yêu cầu về bù CSPK cho phụ tải ...........................................................15

2.1.2. Bù tự nhiên cho phụ tải .................................................................................16
2.1.3. Lý thuyết cơ bản về bù công suất phản kháng cho phụ tải ...........................16
2.2. Một số mơ hình bù CSPK và phƣơng pháp xác định mơ hình bù CSPK ...............17


iv

2.2.1. Phƣơng pháp xác định dung lƣợng bù theo biểu đồ CSPK của phụ tải .......18
2.2.2. Bù CSPK nâng cao hệ số cosϕ .....................................................................18
2.2.3. Mơ hình tính bù CSPK theo điều kiện cực tiểu tổn thất công suất ..............18
2.2.4. Bài toán bù theo điều kiện điều chỉnh điện áp ..............................................19
2.2.5. Phƣơng pháp bù theo điều kiện cực tiểu các chi phí ....................................19
2.2.6. Bù cơng suất phản kháng dựa trên chỉ tiêu tối đa hoá các tiết kiệm ............21
2.3. Các phụ tải đã khảo sát ...........................................................................................22
2.4. Một số nhận xét từ kết quả thực tế .........................................................................22
CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH TOÁN HỌC BÀI TOÁN BÙ TỐI ƢU VÀ
GIỚI THIỆU CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TỐN ...........................................................23
3.1. Phƣơng pháp luận và sơ đồ thuật tốn....................................................................23
3.1.1. Mơ hình tổng qt bài tốn bù tối ƣu CSPK trong lƣới điện phân phối nhằm
giảm TTĐN .............................................................................................................23
3.1.2. Các hàm mục tiêu .........................................................................................23
3.1.3. Các hàm ràng buộc .......................................................................................26
3.1.4. Kết quả tính tốn ...........................................................................................26
3.1.5. Tính tốn dung lƣợng bù tối ƣu công suất phản kháng lƣới điện hạ áp .......26
3.2. Ứng dụng phần mềm PSS/ADEPT để tính tốn vị trí bù tối ƣu ............................27

C
C

R

L
T.

DU

3.2.1. Giới thiệu chung ...........................................................................................27
3.2.2. Tính tốn vị trí bù tối ƣu bằng modul CAPO ...............................................29
3.2.3. Các chỉ số kinh tế ..........................................................................................33
CHƢƠNG 4. TÍNH TỐN BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO LƢỚI ĐIỆN HẠ
THẾ KHU VỰC THÀNH PHỐ ĐỒNG HỚI ...............................................................35
4.1. Thực trạng lƣới điện hạ thế khu vực thành phố Đồng Hới ....................................35
4.2. Sơ đồ phân bố phụ tải và biểu đồ phụ tải đặc trƣng ...............................................36
4.3. Trạm biến áp điển hình để áp dụng tính tốn: ........................................................36
4.3.1. TBA Hữu Nghị: ............................................................................................36
4.3.2. TBA Cầu 4. ...................................................................................................45
4.4. Các số liệu tính tốn thu thập đƣợc ........................................................................57
4.5. Kết quả tính tốn và lựa chọn phƣơng án tối ƣu ....................................................63
4.6. Hiệu quả kinh tế của giải pháp bù CSPK có xét đến giảm TTĐN .........................65
4.6.1. Đánh giá hiệu quả kinh tế của việc bù CSPK TBA Hữu Nghị .....................65
4.6.2. Đánh giá hiệu quả kinh tế của việc bù CSPK TBA Cầu 4 ...........................66
4.6.3. Đánh giá hiệu quả kinh tế của việc bù CSPK cho toàn bộ các trạm biến áp
của toàn hệ thống lƣới điện hạ thế thành phố Đồng Hới. .......................................66


v

KẾT LUẬN ...................................................................................................................68
KIẾN NGHỊ ...................................................................................................................69
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................70
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)

BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC
PHẢN BIỆN.

C
C

DU

R
L
T.


vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

EVNCPC

:

Tổng Công ty Điện lực Miền Trung

LĐHT

:

Lƣới điện hạ thế

CSPK

:

Công suất phản kháng

MBA

:

Máy biến áp

TBA

:

Trạm biến áp

XT

:

Xuất tuyến

CS

:

Công suất

HA

:

Hạ áp

TTĐN

:

Tổn thất điện năng

DU

R
L
T.

C
C


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4.1. Thông số cơ bản lƣới điện hạ thế ...........................................................35
Bảng 4.2. Bảng phân bố công suất phụ tải TBA Hữu Nghị tháng 3 ......................40
Bảng 4.3. Bảng cơng suất tiêu thụ trong ngày điển hình TBA Hữu Nghị tháng 7 .42
Bảng 4.4. Bảng công suất tiêu thụ trong ngày điển hình TBA Hữu Nghị tháng 3 .43
Bảng 4.4. Bảng phân bố công suất phụ tải TBA Cầu 4 tháng 7 .............................46
Bảng 4.5. Bảng phân bố công suất phụ tải TBA Cầu 4 tháng 3 .............................51

Bảng 4.6. Bảng cơng suất tiêu thụ trong ngày điển hình TBA Cầu 4 tháng 7 .......55
Bảng 4.7. Bảng công suất tiêu thụ trong ngày điển hình TBA Cầu 4 tháng 3 .......56
Bảng 4.8. Hộp thoại cài đặt các chỉ số kinh tế của PSS/ADEPT ...........................58

C
C

DU

R
L
T.


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ mắc tụ bù tĩnh ........................................................................................6
Hình 1.2. Bù lƣới hạ thế 1 phụ tải ...................................................................................9
Hình 1.3. Lƣới hạ thế có phụ tải phân bố đều ...............................................................12
Hình 2.1. Ngun lý bù cơng suất phản kháng. ............................................................17
Hình 2.2. Sơ đồ véc tơ của nguyên lý bù cơng suất QC.................................................17
Hình 2.3. Bù phân bố tại các điểm ................................................................................21
Hình 3.1. Giao diện cài đặt chƣơng trình PSS...............................................................28
Hình 3.2. Giao diện phần nhập thơng số đầu vào..........................................................28
Hình 3.3. Giao diện nhập số liệu của tải........................................................................29
Hình 3.4. Các chỉ số kinh tế ..........................................................................................34

C
C

Hình 4.1. Mặt bằng hiện trạng TBA Hữu Nghị:............................................................37

R
L
T.

Hình 4.2. Biểu đồ phụ tải điển hình ngày tháng 3 .........................................................44
Hình 4.3. Biểu đồ phụ tải điển hình ngày tháng 7 .........................................................44

DU

Hình 4.3. Mặt bằng hiện trạng TBA Cầu 4 ...................................................................45
Hình 4.4. Biểu đồ phụ thải điển hình ngày TBA Cầu 4 tháng 3 ...................................57
Hình 4.5. Biểu đồ phụ thải điển hình ngày TBA Cầu 4 tháng 7 ...................................57
Hình 4.5. Vị trí đặt bù sau khi chạy Capo TBA Hữu Nghị 1 ........................................61
Hình 4.6. Vị trí đặt bù sau khi chạy Capo TBA Cầu 4 ..................................................63
Hình 4.7. Kết quả sau bù công suất phản kháng TBA Hữu Nghị 1điển hình tháng 7 ..65
Hình 4.8. Kết quả sau bù cơng suất phản kháng TBA Hữu Nghị 1điển hình tháng 3 ..65
Hình 4.9. Kết quả sau bù cơng suất phản kháng TBA Cầu 4 điển hình tháng 7 ...........66
Hình 4.10. Kết quả sau bù công suất phản kháng TBA Cầu 4 điển hình tháng 3 .........66


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Lƣới hạ thế là khâu cuối cùng của hệ thống điện năng trực tiếp đến hộ tiêu thụ.
Trong quá trình sản xuất, truyền tải và hạ thế điện, lƣợng điện năng tổn thất chiếm tỷ
lệ lớn nhất đó là ở lƣới điện hạ thế. Kinh nghiệm các Điện lực trên thế giới cho thấy

tổn thất thấp nhất trên lƣới truyền tải vào khoảng 2% trong khi trên lƣới điện hạ thế là
4%, tổn thất trên lƣới điện hạ thế liên quan chặt chẽ đến các vấn về kỹ thuật của lƣới
điện từ giai đoạn thiết kế đến vận hành [1].
Nhiệm vụ và mục tiêu đặt ra hiện nay của các Công ty Điện lực là phải tìm ra các
giải pháp tối ƣu để giảm tổn thất xuống mức thấp nhất có thể. Vấn đề giảm tổn thất
công suất, tổn thất điện năng…vẫn sẽ là trọng tâm trong công tác điều hành quản lý,
vận hành của các Điện lực hiện nay, trong đó có Điện lực Đồng Hới. Nhiều giải pháp
đã đƣợc áp dụng để tính tốn cho việc giảm tổn thất nhƣ: cân pha san tải, thay dây dẫn
lớn hơn, kéo mạch kép, lắp đặt tụ bù …vv . Trong đó, bù cơng suất phản kháng (CSPK)

C
C

R
L
T.

là giải pháp đơn giản và hiệu quả nhất.
Trong những năm gần đây Công ty Điện lực Quảng Bình ngày càng quan tâm
nhiều hơn về việc giảm tổn thất điện năng lƣới điện hạ thế, do đó tỷ lệ tổn thất điện
năng giảm từ 4,44% năm 2015 về 4,01% năm 2017. Tỷ lệ tổn thất điện năng này khá
cao nhƣng đổi lại suất đầu tƣ lại rất lớn. Để khắc phục, cần khảo sát hệ số công suất,
sự thay đổi phụ tải,… để làm cơ sở phân tích, tính tốn lắp đặt thêm thiết bị bù mới
hoặc hốn chuyển kịp thời các vị trí bù chƣa phù hợp đến các vị trí mới tối ƣu hơn để
góp phần giảm tổn thất điện năng xuống mức thấp nhất theo lộ trình giảm tổn thất điện
năng (TTĐN) giai đoạn (2016÷2020) của Tổng Công ty Điện lực miền Trung
(EVNCPC) giao cho Cơng ty Điện lực Quảng Bình (đến năm 2020 phải thực hiện đạt
TTĐN chung cho cả lƣới trung thế và hạ thế ≤ 4,95%).Với các lý do trên, đề tài “Tính

DU

tốn bù tối ƣu cơng suất phản kháng lƣới điện hạ thế thành phố Đồng Hới” hiện nay là
thiết thực nhằm góp phần vào nâng cao hiệu quả vận hành kinh tế lƣới điện hạ thế
thành phố.
2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu, đề xuất các giải pháp bù tối ƣu công suất phản kháng lƣới điện hạ
thế nhằm giảm tổn thất điện năng.
- Xây dựng quy trình kiểm sốt hệ thống bù trên cơ sở các phần mềm tính tốn
và chƣơng trình có sẵn.


2

- Xây dựng đƣợc hệ thống sơ đồ phân bố phụ tải và đề xuất giải pháp bù tối ƣu
cho khu vực thành phố Đồng Hới.
- Tính tốn đề xuất các vị trí lắp đặt hệ thống bù, dung lƣợng bù cho lƣới điện
hạ thế khu vực thành phố Đồng Hới.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Nội dung luận văn đi nghiên cứu tính tốn xác định vị trí và dung lƣợng bù tối ƣu
công suất phản kháng lƣới điện hạ thế khu vực thành phố Đồng Hới.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Khảo sát thực tế hiện trạng các thiết bị, sơ đồ phân bố phụ tải trên lƣới điện.
- Thu thập các thông số vận hành, tổn thất điện năng và xây dựng đồ thị phụ tải
đặc trƣng cho lƣới điện hạ thế khu vực thành phố Đồng Hới.
- Phân tích các phƣơng pháp bù cơng suất phản kháng từ xây dựng mơ hình phù
hợp cho lƣới điện.
- Tính tốn ảnh hƣởng của bù cơng suất phản kháng đến tổn thất điện năng và

C
C

R
L
T.

tính tốn dung lƣợng cần bù cho lƣới điện.
- Sử dụng phần mềm PSS/ADEPT 5.0 và chƣơng trình DSPM (thu thập số liệu
từ xa) để tính tốn phân bố bù tối ƣu cho hệ thống.

DU

- Đề xuất các giải pháp bù tối ƣu nhằm giảm tổn thất điện năng cho lƣới điện hạ
thế khu vực thành phố Đồng Hới.
5. Bố cục của luận văn:
Luạn văn gồm bốn chƣơng nhƣ sau:
MỞ ĐẦU
CHƢƠNG 1: ĐẶC ĐIỂM CỦA LƢỚI ĐIỆN HẠ THẾ, TỔN THẤT ĐIỆN
NĂNG VÀ SỰ TIÊU THỤ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT BÙ CƠNG SUẤT PHẢN
KHÁNG
CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP TÍNH TỐN BÙ TỐI ƢU CÔNG SUẤT PHẢN
KHÁNG LƢỚI ĐIỆN HẠ THẾ
CHƢƠNG 4: SỬ DỤNG PHẦN MỀM PSS/ADEPT TÍNH TỐN BÙ TỐI ƢU
CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG LƢỚI ĐIỆN HẠ THẾ KHU VỰC THÀNH PHỐ
ĐỒNG HỚI
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ


3

CHƢƠNG 1
ĐẶC ĐIỂM CỦA LƢỚI ĐIỆN HẠ THẾ, TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG
VÀ SỰ TIÊU THỤ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
1.1. Đặc điểm của lƣới điện hạ thế
Lƣới điện hạ thế khu vực thành phố Đồng Hới phát triển có tính chắp vá do khó
khăn về tiền vốn, phụ tải phát triển nhanh đa dạng và chƣa có quy hoạch tổng thể.
Tƣơng tác giữa phụ tải và hệ thống cung cấp chƣa đƣợc quan tâm đúng mức. Ví dụ
các khu cơng nghiệp, tiểu thủ công nghiệp sử dụng động cơ lớn; các tịa nhà thƣơng
mại có sử dụng số lƣợng lớn máy tính, điều hịa, máy photocopy; các làng nghề, đầm
ni tơm… gây sóng hài bậc cao, tiêu thụ cơng suất phản kháng lớn là những nơi có
phụ tải làm ảnh hƣởng trực tiếp và suy giảm chất lƣợng cung cấp điện của hệ thống.
Ngồi ra sự phân bố phụ tải khơng đồng đều, bán kính cấp điện quá dài, mức mang tải
lớn vƣợt khả năng cung cấp của cấp điện áp đang sử dụng cũng gây ảnh hƣởng rất lớn
đến lƣới điện hạ thế.
Các thiết bị vận hành trên lƣới hạ thế cũng nhƣ phụ tải chƣa có quy định hoặc chƣa
đƣợc kiểm soát về các chỉ tiêu kỹ thuật để nâng cấp chất lƣợng lƣới nhƣ: Chế độ làm
việc, hàm lƣợng sóng hài cũng nhƣ chƣa có chƣơng trình quản lý phụ tải đƣa đến việc
chất lƣợng cung cấp điện kém.
Do vậy việc nghiên cứu tổng thể về lƣới hạ thế hiện nay là rất cần thiết, trong đó
việc nghiên cứu bù CSPK để giảm tổn thất công suất, giảm tổn thất điện năng, cải
thiện điện áp, hệ số công suất, cân bằng tải. Ngoài ra hạn chế tối đa các dao động điện
áp lớn do các phụ tải tiêu thụ CSPK thay đổi nhiều và các nhiễu loạn trên lƣới do ảnh
hƣởng của sóng hài bậc cao nhằm cải thiện chất lƣợng cung cấp và tăng hiệu quả kinh
tế là một vấn đề thời sự đang đƣợc ngành điện quan tâm.
Đặc điểm chung của lƣới điện hạ thế:
- Chế độ vận hành bình thƣờng của lƣới hạ thế là vận hành hở, hình tia
hoặc dạng xƣơng cá.
- Phụ tải lƣới điện hạ thế đa dạng và phức tạp, sử dụng nhiều loại thiết bị, động cơ
không đồng bộ tiêu thụ công suất phản kháng lớn.
- Đƣờng dây hạ thế sau trạm biến áp (TBA) đến phụ tải dài dẫn đến tổn thất lớn, để

giảm bán kính cấp điện cần phải đầu tƣ rất nhiều TBA cần tốn rất nhiều tiền đầu tƣ.
Kết quả của các nghiên cứu và thống kê từ thực tế trên đã đƣa đến kết luận cần sử
dụng bù tối ƣu để giảm đƣợc tổn thất với chi phí thấp.
Với các lý do trên nên trong phần tiếp theo của nội dung luận văn tôi chỉ tập trung
đi sâu tìm hiểu việc bù cơng suất phản kháng trên lƣới hạ thế và các lợi ích của việc bù
công suất phản kháng.

C
C

DU

R
L
T.


4

1.2. Tổn thất điện năng (TTĐN) và sự tiêu thụ công suất phản kháng (CSPK)
1.2.1. Khái niệm về TTĐN
Tổn thất điện năng là lƣợng điện năng bị mất đi trong quá trình truyền tải và kinh
doanh mua bán điện. Tổn thất điện năng là một trong các chỉ tiêu quan trọng trong
công tác quản lý vận hành và kinh doanh mua bán điện của ngành Điện.
Tổn thất điện năng gồm hai loại:
+ Tổn thất kỹ thuật: Tổn thất kỹ thuật là tổn thất sinh ra do tính chất vật lý của quá
trình truyền tải điện, tổn thất này phụ thuộc vào chế độ vận hành của lƣới điện, chất
liệu của dây dẫn điện, khả năng tải của dây dẫn điện và vật liệu cách điện, điều kiện
mơi trƣờng, dịng điện và điện áp.
Tổn thất kỹ thuật chia làm 2 loại:

- Tổn thất phụ thuộc vào dòng điện: Sinh ra do sự phát nóng trên điện trở của chất
liệu dẫn điện, tiếp xúc và nhiệt độ môi trƣờng của máy phát, máy biến áp, dây dẫn và
thiết bị điện. Thành phần này là tổn thất chính.
- Tổn thất phụ thuộc vào điện áp gồm có: chất lƣợng điện áp đầu nguồn, tổn thất
trong lõi thép của máy biến áp, tổn thất do rị điện, do vầng quang.
Tổn thất kỹ thuật khơng triệt tiêu đƣợc mà chỉ có thể hạn chế ở mức độ cho phép.
+ Tổn thất kinh doanh:
Là tổn thất trong khâu kinh doanh mua bán điện năng, gồm các nguyên nhân:
- Do chế độ kiểm soát chỉ số điện năng tại các thiết bị đo đếm, sai số thiết bị đo
đếm, điện năng tiêu dùng không đo đƣợc.
- Hệ thống đo đếm điện năng đo đƣợc nhƣng không xuất ra hóa đơn, điện năng đã
xuất hóa đơn nhƣng khơng đƣợc trả tiền hoặc trả chậm (gọi tắt là công nợ). Đối với
ngành Điện việc kiểm sốt cơng nợ là một trong các tiêu chí hàng đầu trong cơng tác
kinh doanh bán điện.
1.2.2. Sự tiêu thụ CSPK
Xét sự tiêu thụ năng lƣợng trong một mạch có điện trở và điện kháng:
Mạch đƣợc cung cấp bởi điện áp:
sinωt;
(1.1)
Dòng điện i lệch pha với u một góc ϕ:
(1.2)
i = sin(ωt - ϕ); hay i =
(sinωt.cosϕ - sinϕ.cosωt);
i= + ;
với: = sinωt.cosϕ;
= sinϕ.cosωt = sinϕ.sin(ωt-π/2).
Nhƣ vậy dòng điện i là tổng của 2 dịng điện thành phần:
: có biên độ cosϕ cùng pha với điện áp;
: có biên độ sinϕ chậm pha so với điện áp một góc π/2.
Cơng suất tƣơng ứng với hai thành phần và là:

C
C

DU

R
L
T.


5

P = U.I.cosϕ: gọi là công suất tác dụng;
Q = U.I.sinϕ: gọi là cơng suất phản kháng.
Ta cũng có thể viết:
(1.3)
P = U.I.cosϕ = Z.I.(Icosϕ) = Z .R/Z = R. ;
(1.4)
Q = U.I.sinϕ = Z.I.(Isinϕ) = Z .X/Z = X. ;
Nhƣ vậy:
Trong hệ thống điện ln có phần tử tiêu thụ và nguồn phát công suất phản kháng.
Phần tử tiêu thụ công suất phản kháng là máy biến áp, động cơ không đồng bộ, trên
đƣờng dây điện và mọi nơi có từ trƣờng. u cầu về cơng suất phản kháng chỉ có thể
giảm tối thiểu chứ khơng triệt tiêu đƣợc vì nó cần thiết để tạo ra từ trƣờng, là yếu tố
trung gian trong q trình chuyển hóa điện năng, yêu cầu công suất phản kháng đƣợc
phân chia nhƣ sau:
- Động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 70-80%.
- Máy biến áp tiêu thụ khoảng 10-20%.
- Đƣờng dây tải điện và các phụ tải khác khoảng 10%.

Nhƣ vậy động cơ không đồng bộ và máy biến áp là hai loại máy điện tiêu thụ
nhiều CSPK nhất. Công suất tác dụng P là công suất đƣợc biến thành công nhƣ cơ
năng hoặc nhiệt năng trong các máy dùng điện, còn CSPK Q là cơng suất từ hố
trong máy điện xoay chiều, nó khơng sinh ra cơng. Q trình trao đổi CSPK giữa
máy phát điện và phụ tải là quá trình dao động.
Khả năng phát công suất phản kháng của các nhà máy điện rất hạn chế, cosϕ = 0,8
÷ 0,85. Các máy phát chỉ đáp ứng đƣợc một phần yêu cầu cơng suất phản kháng của
phụ tải. Phần cịn lại đƣợc cung cấp từ các nguồn công suất phản kháng đặt thêm tức là
nguồn công suất bù. Việc tạo ra CSPK cung cấp cho các phụ tải không nhất thiết phải
lấy từ nguồn mà có thể cung cấp trực tiếp cho các phụ tải từ tụ điện hay máy bù đồng
bộ…
Có 2 cách để đảm bảo cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống điện:
- Cƣỡng bức phụ tải đối với bù cứng hoặc cài đặt rơ le đối với bù tự động để các
xí nghiệp cơng nghiệp, cơ sở sản xuất phải đảm bảo cosϕ của họ ở mức cho phép, theo
quy định là 0,9. Cách này nhằm giảm yêu cầu công suất phản kháng vừa cho khách
hàng và cho lƣới điện.
- Đặt bù công suất phản kháng trong hệ thống điện để giải quyết phần thiếu còn lại,
đầy là việc ngành điện, mà cụ thể là đơn vị quản lý vận hành lƣới điện phải tính tốn
và thực hiện.
Tóm lại trong hệ thống điện phải bù cƣỡng bức hay bù kỹ thuật một lƣợng công
suất phản kháng nhất định để đảm bảo cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống
điện. Hệ thống điện thiếu công suất phản kháng thì việc bù kỹ thuật là bắt buộc, gọi là
bù cƣỡng bức. Sau khi bù cƣỡng bức, một lƣợng công suất phản kháng đáng kể vẫn

C
C

DU

R

L
T.


6

lƣu thông qua lƣới hạ thế gây ra tổn thất công suất tác dụng và tổn thất điện năng khá
lớn. Để giảm tổn thất này có thể thực hiện bù kinh tế.
Bù kinh tế chỉ đƣợc thực hiện khi nó thực sự mang lại lợi ích, nghĩa là lợi ích kinh
tế mà nó mang lại phải lớn hơn chi phí vận hành và lắp đặt trạm bù. Trong các xí
nghiệp công nghiệp, cơ sở sản xuất, lƣợng công suất phản kháng phải bù cƣỡng bức để
đảm bảo cosϕ cũng đƣợc hạ thế hợp lý nhằm giảm tối đa tổn thất điện năng.
1.2.3. Các nguồn phát CSPK
Có thể thấy rằng khả năng phát công suất phản kháng của máy phát tại các nhà
máy điện là rất hạn chế, do cosϕ của các máy phát từ 0,8 trở lên. Vì lý do kinh tế
ngƣời ta khơng chế tạo các máy phát có khả năng phát nhiều công suất phản kháng đủ
cho phụ tải, đặc biệt là ở chế độ phụ tải cực đại. Các máy phát chỉ đảm đƣơng một
phần yêu cầu công suất phản kháng của phụ tải và chủ yếu làm nhiệm vụ điều chỉnh
cân bằng công suất phản kháng trong nội bộ hệ thống điện nhằm đáp ứng linh hoạt các
yêu cầu luôn thay đổi của phụ tải. Phần cịn lại trơng chờ vào các nguồn cơng suất bù
trên đƣờng dây và phụ tải.
Nguồn cơng suất phản kháng chính gồm máy bù đồng bộ và tụ điện. Ngoài ra
cũng phải tính đến một số nguồn bù cơng suất phản kháng tự sinh ra, đó là trên các
đƣờng dây dẫn điện hay cáp ngầm. Với nguồn phát này thực tế thƣờng gây quá bù và
nhiễu loạn hệ thống bù trên hệ thống khi phụ tải thấp.
- Tụ điện đƣợc sử dụng rộng rãi để bù công suất phản kháng trong mạng điện, nó
có thể mắc trên thanh cái của các trạm biến áp, hoặc tại các điểm nút của mạng điện.
Tụ điện có thể mắc độc lập hoặc mắc thành từng nhóm theo sơ đồ đấu Y, hoặc Δ.

C

C

R
L
T.

DU

Hình 1.1. Sơ đồ mắc tụ bù tĩnh
Việc đầu tƣ máy bù đồng bộ địi hỏi chi phí rất cao và phải tính tốn chế độ vận
hành tƣơng đối phúc tạp nên rất ít đƣợc dùng trên lƣới điện hạ thế. Đối với lƣới điện
hạ thế hiện nay chủ yếu sử dụng tụ điện tĩnh với các ƣu điểm sau:
- Suất đầu tƣ trên 1Var theo tụ là thấp hơn so với máy bù đồng bộ, thời gian hoàn
vốn nhanh. Khi dung lƣợng cần bù càng lớn thì ƣu điểm này càng thể hiện rõ rệt hơn.
- Kết cấu gọn nhẹ, làm việc đơn giản, tin cậy.
- Tuổi thọ cao.
- Tổn thất công suất trong tụ bù rất bé chỉ từ 0,2 đến 0,4%.
- Lắp đặt, vận hành và bảo dƣỡng linh động, đơn giản, tốn ít nhân cơng.


7

- Tụ bù tĩnh đƣợc chế tạo thành từng đơn vị nhỏ nên có thể tùy theo sự phát triển
của phụ tải trong quá trình hoạt động sản xuất mà điều chỉnh dung lƣợng sao cho phù
hợp nhất.
Tuy vậy tụ điện cũng có nhƣợc điểm so với máy bù đồng bộ:
- Máy bù đồng bộ có thể điều chỉnh gần nhƣ ngay tức thì cơng suất phản kháng
cịn tụ điện điều chỉnh theo từng cấp.
- Máy bù đồng bộ có thể phát ra hay tiêu thụ công suất phản kháng cịn tụ điện
chỉ có thể phát cơng suất phản kháng.

- Công suất phản kháng do tụ điện phát ra phụ thuộc vào điện áp vận hành, thiết bị
tuổi thọ ngắn dễ hƣ hỏng khi bị ngắn mạch hay quá điện áp.
Tuy nhiên các nhƣợc điểm này có thể khắc phục đƣợc:
- Để bảo vệ quá điện áp và kết hợp điều chỉnh tụ bù theo điện áp, ngƣời ta thƣờng
lắp đặt các bộ điều khiển để đóng cắt tụ theo điện áp.
- Để điều chỉnh trơn dung lƣợng công suất phản kháng ngƣời ta sử dụng thiết bị bù
tĩnh SVC (Static VAr Compensator).
- Để có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng ngƣời ta dùng SVC, tổ hợp
TSC và TCR (Thyristor Controlled Reactor).
Với các ƣu điểm trên, ngày nay trên lƣới điện hạ thế thƣờng dùng tụ điện tĩnh để
bù công suất phản kháng.

C
C

R
L
T.

DU

1.3. Sự phối hợp phát CSPK giữa các nguồn phát
Trong hệ thống điện, bù công suất phản kháng đƣợc chia ra làm hai loại:
Bù cƣỡng bức hay bù kỹ thuật: là bù một lƣợng công suất phản kháng nhất định để
đảm bảo cân bằng CSPK trong hệ thống điện. Cơng suất này có thể điều chỉnh để thích
ứng với các chế độ vận hành khác nhau của hệ thống điện. CSPK của các nhà máy
điện và các thiết bị bù (máy bù đồng bộ, tụ điện) phải dƣ thừa so với yêu cầu của phụ
tải ở chế độ lớn nhất (max) để dự phòng cho sự cố. Một phần công suất bù, thƣờng là
phần cố định có thể đƣợc phân tán xuống lƣới truyền tải để giảm tổn thất trong lƣới.
Tuy nhiên phần công suất bù này cần phải đƣợc tính tốn kỹ vì nhƣ vậy độ tin cậy

của công suất bù này sẽ bị giảm và để an toàn trong hệ thống điện phải tăng dự trữ
công suất phản kháng lên. Thục tế công suất phản kháng thƣờng bị thiếu cục bộ do chế
độ phụ tải tăng đột biến. Do vậy cần phải bù trực tiếp và hơn nữa khi bù cƣỡng bức,
một lƣợng công suất phản kháng đáng kể vẫn phải lƣu thông trong lƣới hạ thế, gây ra
tổn thất công suất và tổn thất điện năng.
Để khắc phục các vấn đề này ngƣời ta thực hiện giải pháp bù kinh tế. Với mục tiêu
tăng cƣờng tối ƣu hóa hoạt động của hệ thống điện nhƣ giảm mức tiêu thụ nhiên liệu
và cải tạo tận dụng tốt hơn các thiết bị sẵn có trên lƣới để hạn chế mua thiết bị mới.


8

Khi thực hiện bù kinh tế ngƣời ta tính tốn để đạt đƣợc các lợi ích, nếu lợi ích thu
đƣợc cho việc lắp đặt thiết bị bù lớn hơn chi phí lắp đặt thì việc bù kinh tế sẽ đƣợc
thực hiện. Các lợi ích khi lắp đặt bù: [9]
- Giảm đƣợc công suất tác dụng yêu cầu ở chế độ phụ tải cực đại của hệ thống
điện do đó giảm đƣợc dự trữ công suất tác dụng (hoặc tăng đƣợc độ tin cậy) của hệ
thống điện.
- Giảm nhẹ tải cho các thiết bị hạ thế và các đƣờng trục lƣới điện do giảm công
suất phản kháng truyền tải trên lƣới điện.
- Giảm đƣợc tổn thất điện năng.
- Cải thiện đƣợc chất lƣợng điện áp cung cấp cho các phụ tải.
- Cải thiện hệ số công suất.
- Cân bằng tải, nâng cao độ tin cậy cho lƣới điện.
Để giải quyết vấn đề này cần phải làm tốt công tác theo dõi, kiểm sốt và quản lý
cơng suất phản kháng. Quản lý cơng suất phản kháng có thể đƣợc xác định nhƣ sau:
kiểm sốt đƣợc đồ thị phụ tải, từ đó tính toán, điều khiển điện áp máy phát, điều chỉnh
nấc phân áp của các máy biến áp có điều áp dƣới tải, chọn nấc phân áp cho các biến áp
phụ tải, bù cơng suất phản kháng và đóng ngắt các cuộn kháng, tụ điện bù ngang cũng
nhƣ lắp đặt thêm các cuộn kháng hay thay đổi công nghệ điều khiển bù sao cho phù

hợp với đồ thị phụ tải. Nếu làm đƣợc điều đó sẽ giảm đƣợc tổn thất cơng suất và tổn
thất điện năng trên hệ thống hoặc điều khiển điện áp một cách tốt nhất.

C
C

R
L
T.

DU

1.4. Phân tích ảnh hƣởng của tụ bù đến tổn thất công suất tác dụng và tổn thất
điện năng ở lƣới điện hạ thế
1.4.1. Lưới hạ thế một phụ tải:
Xét lƣới hạ thế theo hình 1.2 a công suất phản kháng yêu cầu lớn nhất là Qmax.
Công suất bù là Qbù đồ thị kéo dài của công suất phản kháng yêu cầu là q(t), đồ thị
kéo dài của công suất phản kháng sau khi bù là : qb(t)= q(t)- Qb


9

C
C

R
L
T.

DU

Hình 1.2. Bù lưới hạ thế 1 phụ tải
- Trên hình 1.2 b : qb1(t) ứng với Qb = Qmin.
- Trên hình 1.2 c : qb2(t) ứng với Qb = Qtb.
- Trên hình 1.2 d : qb1(t) ứng với Qb = Qmax.
Từ các đồ thị kéo dài của công suất phản kháng ta thấy: khi đặt tụ bù đồ thị kéo
dài cơng suất phản kháng mới có thể nằm trên, nằm dƣới hoặc cắt trục hoành tùy thuộc
vào độ lớn của cơng suất bù. Cơng suất phản kháng dƣơng có nghĩa là nó đi từ nguồn
đến phụ tải cịn âm có nghĩa là đi ngƣợc từ phụ tải về nguồn. Dù đi theo hƣớng nào
công suất phản kháng đều gây ra tổn thất công suất tác dụng nhƣ nhau nếu độ lớn nhƣ
nhau.
Trong trƣờng hợp Qb = Qmin (hình 1.2 b) thì trong các chế độ trừ chế độ min
phụ tải phải nhận cơng suất từ nguồn, cịn trong chế độ max chỉ giảm đƣợc lƣợng công
suất phản kháng Q = Qmax - Qb = Qmax - Qmin.


10

Trong trƣờng hợp Qb = Qmax ( hình 1.2 d) thì trong các chế độ trừ chế độ max,
cơng suất bù thừa cho phụ tải và đi ngƣợc về nguồn. Công suất phản kháng yêu cầu ở
chế độ max đƣợc triệt tiêu hồn tồn, cho lợi ích lớn nhất về độ giảm yêu cầu công
suất phản kháng và tổn thất công suất tác dụng.
Về mặt tổn thất điện năng hai trƣờng trƣờng hợp này giống nhau hoàn toàn, ta
thấy đồ thị cơng suất phản kháng của chúng có dạng giống nhau chỉ ngƣợc dấu mà thôi.
Trong trƣờng hợp Qb = Qtb (hình 1.2 c), trong 1 nửa thời gian cơng suất phản kháng
đi từ nguồn đến phụ tải còn trong nửa thời gian cịn lại cơng suất phản kháng đi từ tụ
bù đi ngƣợc về nguồn. Yêu cầu công suất phản kháng không giảm đƣợc nhiều nhƣng
đồ thị này cho tổn thất điện năng nhỏ nhất có nghĩa là độ giảm tổn thất điện năng lớn
nhất. Bởi vì tổn thất điện năng phụ thuộc vào độ bằng phẳng của đồ thị cơng suất phản
kháng, độ thị càng bằng phẳng thì tổn thất điện năng càng nhỏ (theo nguyên tắc bình

phƣơng cực tiểu).
Tóm lại nếu cho phép bù khơng hạn chế thì:
- Qb = Qmax cho độ giảm tổn thất cơng suất tác dụng và độ giảm yêu cầu công
suất phản kháng ở chế độ max lớn nhất.
- Qb = Qtb cho độ giảm tổn thất điện năng lớn nhất. Kết luận này là tổng quát
đúng cho mọi cấu trúc lƣới hạ thế.
Nếu xét đồng thời cho cả hai yếu tố thì cơng suất bù tối ƣu sẽ phải nằm đâu đó
giữa Qmin và Qtb.
Các nhận xét trực quan trên đây sẽ đƣợc lƣợng hóa chính xác dƣới đây để phục
vụ giải bài tốn bù sau này.
Tổn thất cơng suất tác dụng do công suất phản kháng q(t) gây ra là:

C
C

R
L
T.

DU

Pq 

q(2t )
U2

.R [ KW, MVAr, KV]

(1.5)

Trong đó U là điện áp định mức của lƣới điện
Sau khi bù:

Pqb 

(q(t )  Qb )2
U2

.R 

q 2(t )  2.Qb .q(t )  Q2(b)
U2

.R

(1.6)

Lợị ích về tổn thất cơng suất tác dụng sau khi bù chính là độ giảm tổn thất cơng
suất tác dụng do bù:

P(t )  Pq  Pqb 

2.Q (t ).Qb  Qb2
U2

.R

(1.7)

Lợi ích do giảm tổn thất cơng suất tác dụng chỉ có ý nghĩa ở chế độ max của hệ

thống khi mà nguồn công suất tác dụng max, lúc đó q(t) = Qmax và ta dễ thấy ΔP(t) sẽ
lớn nhất khi Qb = Qmax. Lúc đó:


11

P(max) 

2
Qmax
.R
U2

(1.8)

Nếu xét mạng phức tạp hình tia, hiệu quả làm giảm tổn thất do đặt dung lƣợng
bù Qbj tại nút j bất kỳ có thể viết đƣợc ở dạng tổng quát nhƣ sau:









Ri
. 2 . Qi . Qbj  Qbj2
2
iD U i

P  

Xi
. 2 . Qi . Qbj  Qbj2
2
iD U i

Q  

Với: * Qi , Ui là phụ tải phản kháng cực đại và điện áp cuối nhánh i [kVAr], [kV]
* Ri, Xi là điện trở và điện kháng của nhánh i []
* D là đƣờng đi của dòng điện từ nguồn đến nút j
Để giảm tổn thất điện năng trong thời gian xét T là tích phân của ΔP(t) trong
khoảng thời gian xét T:
T

A(t ) 

 2.Q

.Qb  Qb2 .R.dt

0

U

C
C

R
L
T.

(t )

2



2.T .Qtb .Qb  T .Q
.R
U2
2
b

DU

T .Qb (2.ksdq .Qmax  Qb )
T .Qb (2Qtb  Qb )
.
R

.R
U2
U2
1
Trong đó: Qtbq  .q( t ) .dt và Ksdq=Qtb/Qmax.
T

 A 

(1.9)

Giá trị của Qb cho độ giảm tổn thất điện năng lớn nhất có thể tìm đƣợc bằng
cách giải phƣơng trình :

(1.10)
Giải phƣơng trình ( 1.10) cho kết quả
Qb0pt = Qtb

Q 2tb
Khi đó: Amax  R.T . 2
(1.11)
U
Cần lƣu ý rằng để có thể giải bài tốn bù, trƣớc hết phải tiến hành thu thập,
kiểm tra đồ thị công suất phản kháng trên lƣới hạ thế dự định đặt bù để đảm bảo bù
đem lại hiệu quả thực sự.
1.4.2. Lưới hạ thế có phụ tải phân bố đều trên trục chính :
Xét lƣới hạ thế trên hình dƣới đây :
0
ro[Ω/km]
qo[KVAr/km]


12

Hình 1.3. Lưới hạ thế có phụ tải phân bố đều
Trong trƣờng hợp này có vấn đề là địa điểm đặt bù nên ở đâu để có hiệu quả bù
là lớn nhất. Cịn vấn đề giá trị cơng suất bù đã đƣợc giải quyết ở phần trên và vẫn đúng

cho trƣờng hợp này.
Giả thiết rằng chỉ đặt bù tại 1 điểm và phải tìm điểm đạt tối ƣu sao cho với công
suất bù nhỏ nhất đạt hiệu quả lớn nhất.
Ta xét chế độ max :
Tổn thất công suất trƣớc khi bù là :

C
C

R
L
T.

r0 .q02 .L3
Pq 
3.U 2

DU

(1.11)

Ta đặt bù sao cho công suất phản kháng QN từ nguồn cấp cho đoạn lx (đoạn 0B)
cịn tụ bù cung cấp cơng suất phản kháng Qb cho đoạn L-lx (đoạn BA )
QN = lx.q0
Qb = (L-lx).q0
Dễ ràng nhận thấy rằng muốn tổn thất công suất tác dụng và tổn thất điện năng
sau khi bù là nhỏ nhất thì trạm bù phải đặt ở chính giữa đoạn c, cơng suất phản kháng
của tụ sẽ chia đều về 2 phía có độ dài (L-lx)/2 và cơng suất phản kháng Qb/2. Vị trí bù
sẽ là:
lb = lx+ (L-lx)/2 = (L+lx)/2

Tổn thất công suất tác dụng trên đoạn lx là:

r0 .q02 .lx 3
PN 
3.U 2

(1.12)

Tổn thất công suất tác dụng trên đoạn L-lx là:

Pb 

r0 .q02 .(L lx )3
12.U 2

Tổn thất công suất tác dụng sau khi bù là:

(1.13)


13

r0 .q02 .lx 3 r0 .q02 .(L  lx )3
P2  PN  Pb 

3.U 2
12.U 2
r0 .q02 .  4.lx 3  (L  lx )3 

12.U 2

(1.14)

Độ giảm tổn thất công suất tác dụng do bù là:
2
3
3
r0 .q02 .L3 r0 .q0 .  4.lx  (L lx ) 
P  Pq  P2 

3.U 2
12.U 2
r0 .q02 .  4 L3  4.lx 3  (L lx )3 

12.U 2

(1.15)

Lấy đạo hàm của ΔP theo lx rồi đặt = 0 và giải ta đƣợc lxop.
2
3
2
2
d P r0 .q0 .  4 L  12.l x  3.(L  l x ) 

0
dlx
12.U 2

lb 0 p 

L
3

DU

R
L
T.

C
C

Từ đây ta có vị trí bù tối ƣu: lx 0 p

2L

3

(1.16)

Nhƣ vậy muốn độ giảm tổn thất công suất tác dụng do bù lớn nhất nguồn điện
phải cung cấp công suất phản kháng cho 1/3 độ dài lƣới điện, tụ bù cung cấp cơng suất
phản kháng cho 2/3 cịn lại và đặt ở vị trí các đầu lƣới điện 2/3L. Từ đây cũng tính
đƣợc cơng suất bù tối ƣu là 2/3 cơng suất phản kháng yêu cầu. Dễ dàng chứng minh
đƣợc rằng để có độ giảm tổn thất điện năng lớn nhất vẫn phải đặt bù tại 2/3 L nhƣng
công suất bù tối ƣu là 2/3 cơng suất phản kháng trung bình. Trong lƣới điện phức tạp
vị trí bù tối ƣu có thể xê dịch một chút so với lƣới điện đơn giản xét ở đây.
Hai trƣờng hợp đơn giản trên cho thấy rõ về các khái niệm nhƣ:
Độ giảm tổn thất công suất tác dụng, độ giảm tổn thất điện năng do bù, công

suất bù tối ƣu theo các điều kiện giảm tổn thất công suất tác dụng, giảm tổn
thất điện năng, vị trí đặt bù cũng nhƣ điều kiện cần để giải bài toán bù.
Kết luận:
- Chế độ vận hành tối ƣu của lƣới hạ thế thƣờng là vận hành hở.
- Phần lớn các thiết bị điện trong quá trình làm việc đều tiêu thụ một lƣợng
công suất phản kháng. Giá trị công suất phản kháng tiêu thụ bởi các thiết bị điện phụ
thuộc vào mức độ mang tải của chúng. Vì vậy để giảm đến mức tối thiểu sự tiêu thụ
CSPK của thiết bị cần phải tính tốn chế độ vận hành hợp lý, linh hoạt phù hợp với sự
thay đổi của đồ thị phụ tải trên lƣới điện hạ thế. Làm tốt điều này sẽ mang lại giảm


14

thiểu đƣợc tổn thất điện năng trên lƣới điện, lƣới điện vận hành an toàn, tin cậy và kéo
dài tuổi thọ của vật tƣ thiết bị trên lƣới.
- Việc đặt thiết bị bù CSPK là một trong những giải pháp quan trọng để nâng cao
chất lƣợng điện. Trong số các nguồn CSPK thì tụ điện tĩnh tỏ ra chiếm ƣu thế về kinh
tế và kỹ thuật. Tuy nhiên tụ bù rất nhạy cảm đối với sự thay đổi của các tham số chế
độ cũng nhƣ tham số hệ thống. Vì vậy cần có sự nghiên cứu tính tốn tối ƣu để nâng
cao tính kinh tế kỹ thuật.

C
C

DU

R
L
T.

15

CHƢƠNG 2. LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ BÙ CSPK CHO PHỤ TẢI
HẠ THẾ – MỘT SỐ MƠ HÌNH BÙ CSPK VÀ PHƢƠNG PHÁP
TÍNH TỐN BÙ CƠNG SUẤT PHẢN KHÁNG
2.1. Lý thuyết cơ bản về bù CSPK cho phụ tải hạ thế
2.1.1. Các yêu cầu về bù CSPK cho phụ tải
Bù CSPK cho phụ tải là giảm CSPK chuyển tải trên xuất tuyến và để củng cố chất
lƣợng nguồn điện trong các hệ thống điện xoay chiều. Thuật ngữ “bù phụ tải” đƣợc sử
dụng khi việc quản lý CSPK cho một tải duy nhất hay một nhóm các phụ tải.
Trong bù phụ tải có các mục tiêu chính:
- Giảm cơng suất truyền tải.
- Giảm dung lƣợng MBA tại các trạm biến áp.
- Giảm đƣợc công suất tác dụng yêu cầu ở chế độ cực đại của hệ thống điện (do
giảm tổn thất cơng suất tác dụng), vì vậy giảm đƣợc 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 hỗn hoặc giảm bớt chi phí mở rộng nâng cấp lƣới điện.
- Tăng lợi nhuận việc điều chỉnh hệ số công suất thƣờng là thực hiện việc cấp
CSPK càng gần tải càng tốt. Hầu hết các phụ tải công nghiệp và nơng nghiệp có hệ số
cơng suất trễ tức là chúng tiêu thụ CSPK. Vì thế dịng tải có khuynh hƣớng lớn hơn
dòng điện cần thiết để cung cấp riêng cho cơng suất sinh cơng, điều này có thể làm quá
tải đƣờng dây, gây tổn thất điện áp. Điều áp là một vấn đề quan trọng và đặc biệt trong
các lƣới điện có các phụ tải có nhu cầu CSPK luôn thay đổi. Sự biến thiên về nhu cầu
CSPK sẽ gây ra sự biến thiên điện áp tại điểm cung cấp làm ảnh hƣởng đến hoạt động
của các phụ tải đấu nối vào điểm đó và làm tăng nhiễu loạn của các phụ tải lân cận. Ở

một số nƣớc ngƣời ta quy định độ thay đổi điện áp trong khoảng ±5% trong thời gian
vài phút hoặc vài giờ. Nó đặc biệt ảnh hƣởng đến các tải lớn biến thiên nhanh gây ra
độ dốc điện áp lớn, có hại cho việc vận hành các thiết bị bảo vệ và hiện tƣợng chớp
nháy gây khó chịu mắt ngƣời. Trong trƣờng hợp này thiết bị bù đóng vai trị quan
trọng trong việc duy trì điện áp trong khoảng quy định đa số các hệ thống điện xoay
chiều là 3 pha và đƣợc thiết kế vận hành ở chế độ cân bằng. Hoạt động không cân
bằng làm tăng các thành phần thứ tự nghịch và thứ tự khơng của dịng điện. Các thành
phần này làm tăng các loại tổn thất trong động cơ và trong máy phát, gia tăng độ gợn
sóng trong các bộ chỉnh lƣu.[5]

C
C

DU

R
L
T.


16

Một số thiết bị làm việc phụ thuộc vào việc vận hành cân bằng để hạn chế sóng hài.
Số lƣợng sóng hài trong sóng điện áp là thơng số quan trọng của chất lƣợng nguồn
điện đƣợc đặc trƣng bởi phổ của các dao động hoàn toàn trên phổ tần số công nghiệp
cơ bản.
2.1.2. Bù tự nhiên cho phụ tải
Nhƣ đã nêu trên, mục tiêu của việc bù CSPK là để điều chỉnh hệ số công suất, cải
thiện điện áp và cân bằng phụ tải. Tiêu thụ CSPK không hợp lý làm cho hệ số công
suất giảm thấp. Cấu trúc lƣới và phƣơng thức vận hành hệ thống không hợp lý cũng

làm cho điện áp xấu đi và phụ tải các pha không đối xứng cũng làm tăng tổn thất và
tiêu thụ CSPK lớn hơn so với yêu cầu thực tế. Chính vì thế trƣớc khi nghiên cứu bù
nhân tạo (sử dụng các thiết bị bù) chúng ta cần phải nghiên cứu bù tự nhiên trƣớc để
khắc phục các thiếu sót trong quản lý, vận hành, hạ thế, trong tiêu thụ điện đƣa tới việc
tiêu thụ CSPK quá mức sau đó mới nghiên cứu bù nhân tạo.
Bù tự nhiên trong hệ thống điện bao gồm những vấn đề sau:
- Nghiên cứu và thực hiện các biện pháp điều hòa phụ tải, nâng cao hệ số cao
thấp điểm và hệ số điền kín của phụ tải đảm bảo cho các đƣờng dây và trạm biến áp,
không bị non tải, không tải hay quá tải.
- Nghiên cứu các phƣơng thức vận hành tối ƣu.
Bù tự nhiên trong các xí nghiệp tiêu thụ điện:
Bù tự nhiên trong các xí nghiệp tiêu thụ điện là nghiên cứu sắp xếp điều chỉnh việc
sản xuất trong xí nghiệp để đảm bảo cho các thiết bị tiêu thụ điện (động cơ, máy biến
áp, máy hàn…) không thƣờng xuyên không tải hoặc non tải.

C
C

R
L
T.

DU

2.1.3. Lý thuyết cơ bản về bù công suất phản kháng cho phụ tải
Nhƣ ta đã biết, để cải thiện hệ số công suất hay các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật khác
của mạng điện, cần một bộ tụ điện hay máy bù đồng bộ làm nguồn phát công suất
phản kháng. Cách giải quyết này đƣợc gọi là bù cơng suất phản kháng. Tải mang tính
cảm có hệ số cơng suất thấp sẽ nhận thành phần dòng điện phản kháng (chậm pha so
với điện áp 1 góc 90o) từ máy phát đƣa đến qua hệ thống truyền tải/hạ thế. Do đó kéo

theo tổn thất cơng suất và gây nên hiện tƣợng sụt áp.
Mặt khác dòng điện qua tụ nhanh pha hơn điện áp nguồn 1 góc
ngƣợc pha với
thành phần phản kháng của dòng tải IL. Nếu thành phần dòng điện này triệt tiêu lẫn
nhau IC = IL thì khơng cịn tồn tại dịng phản kháng đi qua phần lƣới phía trƣớc vị trí
đặt tụ.