Nghiên cứu bù công suất phản kháng cho lưới điện trung thế huyện mai sơn tỉnh sơn la

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THANH DŨNG

NGHIÊN CỨU BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO LƯỚI ĐIỆN TRUNG
THẾ HUYỆN MAI SƠN – TỈNH SƠN LA

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN

Thái Nguyên - năm 2020


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THANH DŨNG

NGHIÊN CỨU BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO LƯỚI ĐIỆN TRUNG
THẾ HUYỆN MAI SƠN – TỈNH SƠN LA
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ: 8.52.02.01

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. Trương Tuấn Anh

Thái Nguyên – năm 2020

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Thanh Dũng
Người hướng dẫn khoa học: TS. Trương Tuấn Anh
Đề tài luận văn: “Nghiên cứu bù công suất phản kháng cho lưới điện
trung thế huyện Mai Sơn – tỉnh Sơn La”.
Ngành: Kỹ thuật điện
Mã ngành: 8.52.02.01
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận
tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
10/10/2020 với các nội dung sau:
- Đã sửa một số lỗi chính tả, lỗi chế bản trong luận văn.
- Đã bổ sung kết luận chương 1, chương 3.
- Đã chỉnh sửa một số nội dung theo ý kiến của Hội đồng bảo vệ.
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 10 năm 2020
Người hướng dẫn khoa học

Tác giả luận văn

TS. Trương Tuấn Anh

Nguyễn Thanh Dũng

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS. Võ Quang Lạp

i


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn là công trình nghiên cứu của riêng tơi, số liệu và kết
quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được công bố trong bất
kỳ một bản luận văn nào trước đây.
Tác giả luận văn

Nguyễn Thanh Dũng

ii


LỜI CẢM ƠN
Qua một thời gian thực hiện, đến nay đề tài: “Nghiên cứu bù công suất phản
kháng cho lưới điện trung thế Huyện Mai Sơn - Tỉnh Sơn Laˮ đã được hồn thành.
Trong thời gian thực hiện, tơi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ quý báu của các cá
nhân, tập thể trong và ngồi trường.
Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Trương Tuấn Anh về sự quan tâm,
giúp đỡ tơi rẩt tận tình trong phương pháp và các nội dung nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới các thầy, cô giáo trong bộ môn Hệ thống điện,
Khoa điện, trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp, sự giúp đỡ chân tình của các bạn
đồng nghiệp, gia đình đã tạo điều kiện thuận lợi cho tơi trong q trình học tập, cơng
tác, nghiên cứu và hồn thành luận văn.
Trong q trình thực hiện, do thời gian hạn hẹp nên luận văn có thể có những
thiếu sót. Tơi mong muốn nhận được những ý kiến đóng góp để luận văn được hồn
thiện thêm và kết quả nghiên cứu thực sự có ý nghĩa góp phần nâng cao chất lượng

điện năng, giảm tổn thất điện năng cho lưới điện trung thế huyện Mai Sơn nói riêng và
lưới điện tồn tỉnh Sơn La.
Tơi xin trân trọng cảm ơn!
Tác giả luận văn

Nguyễn Thanh Dũng

3


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................iii
MỤC LỤC ............................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT......................................................................vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..........................................................................viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................... ix
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU CHUNG ....................................................................... 4
1.1. Vai trò, đặc điểm chung của lưới phân phối.................................................... 4
1.2. Sự tiêu thụ công suất phản kháng ................................................................... 5
1.3. Các nguồn phát công suất phản kháng ............................................................ 7
1.4. Các tiêu chí bù cơng suất phản kháng trên lưới phân phối ............................. 10
1.4.1. Tiêu chí kỹ thuật .................................................................................. 10
1.4.1.1. Yêu cầu về cosφ ......................................................................................... 10
1.4.1.2. Đảm bảo mức điện điện áp cho phép ...................................................... 11
1.4.1.3. Giảm tổn thất công suất đến giới hạn cho phép ..................................... 13
1.4.2. Tiêu chí kinh tế .................................................................................... 14
1.5. Sơ đồ đấu nối tụ và phương thức điều khiển tụ bù ........................................ 16
1.5.1. Sơ đồ đấu nối tụ bù tĩnh ........................................................................ 16

1.5.1.1. Nối tụ điện theo sơ đồ hình tam giác (Δ), sơ đồ nối dây của tụ như
hình vẽ 1.4 ................................................................................................................. 16
1.5.1.2. Nối tụ điện theo sơ đồ hình sao (Y), sơ đồ nối dây của tụ như hình vẽ
1.5
.................................................................................................................. 17
1.5.1.3. Các kiểu đấu nối bộ tụ điện ba pha .......................................................... 17
1.5.2. Sơ đồ nối dây và điện trở phóng điện ................................................... 18
1.5.2.1. Sơ đồ nối dây của tụ điện điện áp cao ..................................................... 18
1.5.2.2. Sơ đồ nối dây của tụ điện điện áp thấp ................................................... 19
1.5.2.3. Bù riêng ....................................................................................................... 21
1.5.2.4. Bù nhóm ...................................................................................................... 21
1.5.2.5. Bù tập trung ................................................................................................ 22
1.5.3. Nguyên lý điều khiển các thiết bị bù sử dụng tụ điện tĩnh ....................... 23
1.5.3.1. Cơ sở điều khiển ........................................................................................ 23

4


1.5.3.2. Điều chỉnh dung lượng bù ........................................................................ 23
CHƯƠNG 2 - ẢNH HƯỞNG CỦA THIẾT BỊ BÙ, CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH
TỐN BÙ TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ...................................................... 26
2.1. Ảnh huởng của thiết bị bù đến thông số thiết kế ........................................... 26
2.1.1. Đặt vấn đề ........................................................................................... 26
2.1.2. Các ảnh hưởng của thiết bị bù đến thông số thiết kế của mạng điện ........ 27
2.1.2.1. Giảm ΔP và ΔA .......................................................................................... 27
2.1.2.2. Giảm tiết diện của dây dẫn trong mạng điện .......................................... 27
2.1.2.3. Giảm công suất của máy biến áp ............................................................. 30
2.1.2.4. Tăng cường khả năng tải của mạng ......................................................... 30
2.2. Ảnh hưởng của thiết bị bù đến tổn thất công suất và tổn thất điện năng ......... 31
2.2.1. Lưới phân phối có một phụ tải ............................................................. 31

2.2.2. Lưới phân phối có phụ tải phân bố đều trên trục chính .......................... 34
2.3. Ảnh hưởng của thiết bị bù đến chế độ điện áp của lưới phân phối ................. 35
2.3.1. Phân tích ảnh hưởng của thiết bị bù CSPK đối với chất lượng điện áp .... 35
2.3.1.1. Tác động quá độ trong quá trình đóng cắt tụ .......................................... 35
2.3.1.2. Ảnh hưởng cửa sóng hài lên các thiết bị điện ........................................ 38
2.3.2. Các hạn chế của công suất bù phản kháng đối với chất lượng điện ......... 43
2.3.3. Một số giải pháp chống quá điện áp khi đóng cắt tụ ............................... 46
2.4. Các phương pháp tính tốn dung luợng và vị trí bù cơng suất phản kháng ..... 46
2.4.1. Bù CSPK để nâng cao hệ số cơng suất cosφ ......................................... 46
2.4.2. Tính bù CSPK theo điều kiện cực tiểu tổn thất công suất ....................... 49
2.4.3. Tính bù CSPK theo điều kiện điều chỉnh điện áp ................................... 49
2.4.4. Tính bù CSPK theo theo phương pháp bù kinh tế .................................. 50
2.4.4.1. Cực đại hóa lợi nhuận................................................................................ 51
2.4.4.2. Cực tiểu chi phí tính tốn Zmin ............................................................... 52
2.4.4.3. Cực đại lợi nhuận ....................................................................................... 53
2.4.5. Phương pháp tính tốn lựa chọn cơng suất và vị trí bù tối ưu trong mạng
điện phân phối ............................................................................................... 54
2.4.5.1. Tính tốn bù trên đường dây có phụ tải tập trung và phân bố đều ...... 55
2.4.5.2. Xác định vị trí tối ưu của tụ bù ................................................................ 61
2.4.6. Cơng cụ tính tốn ................................................................................. 63
2.4.6.1. Đặt vấn đề ................................................................................................... 63

5


2.4.6.2. Giới thiệu về phần mềm PSS/ADEPT .................................................... 63
2.4.6.3. Các cơ sở tính tốn bù CSPK bằng chương trình PSS/ADEPT ........... 65
2.5. Đánh gıá hıệu quả của bù công suất phản kháng ........................................... 73
2.5.1. Ảnh hưởng của hệ số công suất và thời gian Tm ..................................... 73
2.5.1.1. Ảnh hưởng của hệ số cosφ đến tổn thất công suất................................. 73

2.5.1.2. Quan hệ giữa tổn thất điện năng và hệ số cosφ và thời gian Tm ......... 73
2.5.1.3. Quan hệ phụ thuộc giữa chi phí đầu tư với cosφ và Tm ....................... 73
2.5.1.4. Quan hệ phụ thuộc giữa chi phí tính tốn với hệ số công suất và Tm 74
2.5.2. Hiệu quả của việc bù công suất phản kháng ........................................... 74
2.5.2.1. Lượng tiết kiệm công suất do bù CSPK.................................................. 74
2.5.2.2. Khảo sát các thành phần chi phí bù CSPK ............................................. 75
CHƯƠNG 3 - TÍNH TỐN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ DUNG LƯỢNG BÙ TỐI ƯU
CHO LƯỚİ ĐIỆN TRUNG THẾ HUYỆN MAI SƠN ............................................. 77
3.1. Hiện trạng lưới điện trung thế huyện Mai Sơn .............................................. 77
3.1.1. Hiện trạng nguồn cung cấp điện ............................................................ 77
3.1.2. Hiện trạng lưới điện trung thế ............................................................... 77
3.1.3. Hiện trạng bù của lưới điện trung thế .................................................... 77
3.1.4. Hiện trạng đồ thị phụ tải các lộ đường dây ............................................ 78
3.1.4.1. Xây dựng đồ thị phụ tải ngày điển hình .................................................. 78
3.1.4.2. Xây dựng đồ thị phụ tải trên phần mềm PSS/ADEPT .......................... 80
3.1.5. Hiện trạng tổn thất và thông số vận hành các lộ đường dây .................... 80
3.2. Tính tốn xác định vị trí và dung lượng bù tối ưu cho lưới điện trung thế huyện
Mai Sơn ( lộ 378 E17.2 ).............................................................................. 83
3.3. Đề xuất các giải pháp nhằm đảm bảo vận hành tối ưu các bộ tụ bù trên hệ thống
lưới điện trung thế huyện Mai Sơn ............................................................... 87
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 90
PHỤ LỤC ............................................................................................................. 91

6


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CSPK: Công suất phảng kháng
CSTD: Công suất tác dụng

HTĐ: Hệ thống điện
MBA: Máy biến áp KĐB:
Không đồng bộ LĐPP: Lưới
điện phân phối LĐTT: Lưới
điện truyền tải ĐZ: Đường
dây
HMT: Hàm mục tiêu

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Quan hệ giữa hệ số cơng suất và cơng suất tồn phần .....................................7
6

Bảng 2.1. Giá thành đường dây trên không 1 mạch điện áp 110kV (10 đ/km) ...........29
Bảng 2.2. Giá trị của kkt theo phương thức cấp điện. ...................................................48
Bảng 3.1. Hiện trạng nguồn cấp ....................................................................................77
Bảng 3.2. Bảng thống kê dung lượng bù của tụ điện ....................................................78
Bảng 3.3. Kết quả tính tốn tổn thất trên lưới lộ 378 trước khi lắp tụ bù (phụ lục 3.3a,
phụ lục 3.3b). .................................................................................................................82
Bảng 3.4. Kết quả tính tốn tổn thất trên lưới lộ 378 hiện trạng (đã lắp tụ bù) (phụ lục
3.4a, phụ lục 3.4b). ........................................................................................................82
Bảng 3.5. Kết quả tính tốn tổn thất trên lưới lộ 382 trước khi lắp tụ bù (phụ lục 3.5a,
phụ lục 3.5b). .................................................................................................................82
Bảng 3.6. Kết quả tính tốn tổn thất trên lưới lộ 382 hiện trạng (phụ lục 3.6a, phụ lục
3.6b). ..............................................................................................................................83
Bảng 3.7a. Vị trí và dung lượng bù cố định ở lưới trung áp .........................................84
Bảng 3.7b. Vị trí và dung lượng bù đóng cắt ở lưới trung áp .......................................85
Bảng 3.8. Kết quả tính toán tổn thất trên lưới lộ 378 sau khi lắp tụ bù (phụ lục 3.8a,

phụ lục 3.8b). .................................................................................................................85
Bảng 3.9 Kết quả lượng tổn thất công suất giảm được so với bù tụ nhiên ...................86

8


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Sơ đồ cung cấp đơn giản ..................................................................................5
Hình 1.2 Quan hệ giữa P và Q.........................................................................................5
Hình 1.3 Quan hệ giữa hệ số cơng suất và cơng suất tồn phần .....................................7
Hình 1.4 Tụ đấu tam giác ..............................................................................................16
Hình 1.5 Tụ đấu sao.......................................................................................................17
Hình 1.6 Sơ đồ nối dây của tụ điện điện áp cao ............................................................19
Hình 1.7 Sơ đồ đấu dây của tụ điện điện áp cao bù riêng cho động cơ ........................19
Hình 1.8 Sơ đồ nối dây tụ điện điện áp thấp .................................................................20
Hình 1.9 Bù nhóm .........................................................................................................22
Hình 1.10 Bù tập trung ..................................................................................................22
Hình 1.11 Sự phân bố CSPK theo thời gian..................................................................23
Hình 1.12 Điều chỉnh dung lượng bù. ...........................................................................24
Hình 2.1. Sơ đồ mạch tải điện .......................................................................................27
Hình 2.2. Phân tính các dung lượng bù

.....................................................................31

Hình 2.3. Lưới phân phối có phụ tải phân bố đều .........................................................34
Hình 2.4. Mạch cộng hưởng LC....................................................................................44
Hình 2.5. Đường dây chính có phụ tải phân bố đều và tập trung..................................55
Hình 2.6. Đường dây phụ tải tập trung và phân bố đều có một bộ tụ ...........................56
Hình 2.7. Các đường biểu thị độ giảm tổn thất công suất ứng với các độ bù và các vị trí
trên đường dây có phụ tải phân bố đều (λ = 0)..............................................................58

Hình 2.8. Đường dây phụ tải tập trung và phân bố đều có bù 2 bộ tụ ..........................59
Hình 2.9. Đường dây phụ tải tập trung và phân bố đều có bù 3 bộ tụ ..........................60
Hình 2.10. Đường dây phụ tải tập trung và phân bố đều có bù 4 bộ tụ ........................60
Hình 2.11. So sánh độ giảm tổn thất đạt được khi số tụ bù n = 1,2,3 và ∞ trên đường
dây có phụ tải phân bố đều (λ = 0) ................................................................................63
Hình 2.12. Giao diện màn hình chính phần mềm PSS/ADEPT 5.0 ..............................65
Hình 2.13. Thiết lập thư viện.........................................................................................68
Hình 2.14. Thiết lập thơng số đường dây ......................................................................68
Hình 2.15. Thiết lập thơng số MBA ..............................................................................69

9


Hình 2.16. Thẻ nhập thơng số kinh tế ...........................................................................69
Hình 2.17. Thông số kinh tế cho tụ bù trung áp giờ cao điểm ......................................70
Hình 2.18. Thơng số kinh tế cho tụ bù trung áp giờ thấp điểm.....................................70
Hình 2.19. Giao diện tùy chọn chương trình tính tốn..................................................71
Hình 2.20. Hiển thị kết quả tính tốn trên sơ đồ ...........................................................71
Hình 2.21. Hiển thị kết quả tính tốn trên cửa sổ Progress View .................................72
Hình 2.22. Hiển thị kết quả tính tốn trên cửa sổ Report ..............................................72
Hình 3.1. Đồ thị phụ tải những ngày điển hình năm 2019 của lộ 378 E17.2 ................79
Hình 3.2. Đồ thị phụ tải những ngày điển hình năm 2019 của lộ 382 E17.2................79
Hình 3.3. Thẻ phân loại phụ tải .....................................................................................80
Hình 3.4. Thẻ xây dựng đồ thị phụ tải...........................................................................80
Hình 3.5. Cách tính tốn tổn thất của lộ đường dây......................................................81
Hình 3.6. Sơ đồ lộ 378 E17.2 trên phần mềm PSS/ADEPT .........................................81
Hình 3.7. Sơ đồ lộ 382 E17.2 trên phần mềm PSS/ADEPT .........................................82
Hình 3.8. Thẻ tính tốn dung lượng bù .........................................................................84

10

LỜI NÓI ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Đặc điểm của điện năng là các đặc tính của nó phụ thuộc đồng thời vào việc sản
xuất, truyền tải, phân phối, các nhà chế tạo thiết bị và người vận hành sử dụng. Chất
lượng điện là một chủ đề có ý nghĩa chiến lược đối với toàn ngành điện, từ các nhân
viên kỹ thuật vận hành, khai thác bảo dưỡng, quản lý tới các nhà sản xuất và chế tạo
thiết bị... Do tính chất cạnh tranh của nền kinh tế đòi hỏi chất lượng điện phải được
thường xuyên đảm bảo tốt. Hơn nữa việc sử dụng ngày càng rộng rãi các phụ tải nhạy
cảm với chất lượng điện như máy tính, thiết bị đo lường điều khiển, hệ thống thơng tin
liên lạc địi hỏi phải được cung cấp điện với chất lượng cao. Việc suy giảm chất lượng
điện làm cho thiết bị vận hành với hiệu suất thấp, tuổi thọ thiết bị giảm ảnh hưởng trực
tiếp đến kinh tế, tài chính khơng những của những hộ dùng điện mà còn ảnh hưởng
trực tiếp tới các Công ty sản xuất, quản lý và truyền tải điện năng.
Phụ tải công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoạt, ... của lưới phân phối thường có
hệ số cơng suất thấp. Vì vậy, ngồi cơng suất tác dụng lưới điện cịn phải truyền tải
một lượng khá lớn cơng suất phản kháng. Việc truyền tải này làm tăng tổn thất điện
năng trên các phần tử của chúng như máy biến áp, động cơ khơng đồng bộ, đường
dây, ... Điều đó làm xấu các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật vận hành lưới điện và làm xấu
chất lượng điện áp ở các hộ tiêu thụ điện. Vì thế bài tốn giảm lượng cơng suất phản
kháng truyền tải trong lưới điện nói chung và lưới điện các Cơng ty, Xí nghiệp nói
riêng luôn luôn được quan tâm khi thiết kế và vận hành. Một trong những biện pháp
giảm công suất phản kháng truyền tải trên lưới điện nâng cao chất lượng điện năng là
bù cơng suất phản kháng. Tuy nhiên, việc tính tốn dung lượng bù, vị trí lắp đặt,
phương pháp điều khiển dung lượng bù như thế nào để cân bằng tải, duy trì điện áp
định mức và đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất là những bài toán chưa có lời giải
chính xác. Vị trí đặt thiết bị bù khơng được tính tốn lựa chọn hợp lý mà thuờng được
chọn sao cho dễ vận hành chứ không xét đến hiệu quả kinh tế của thiết bị, vì vậy chưa
tận dụng được hiệu quả làm việc của thiết bị, dẫn đến sự lãng phí.

1


Mục đích nghiên cứu của luận văn:
- Nghiên cứu bù cơng suất phản kháng và các phương pháp tính tốn vị trí bù
tối ưu trong lưới điện trung thế. Trên cơ sở đó, xây dựng các chương trình Tính tốn
xác định vị trí và dung lượng bù tối ưu cho lưới điện trung thế;
- Ứng dụng vào thực tế, xác định vị trí bù tối ưu cho lưới điện trung thế huyện
Mai Sơn. Từ đó, đánh giá hiệu quả của phương pháp bù hiện nay đồng thời đề xuất
giải pháp bù cho lưới điện trung thế huyện Mai Sơn.
Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu chung của đề tài là các lưới điện phân phối thuộc phạm
vi xây dựng, quản lý của các địa phương, có phương thức quản lý, vận hành độc lập.
Trong điều kiện thời gian hạn hẹp, chúng tôi tập trung nghiên cứu với lưới điện trung
thế huyện Mai Sơn - tỉnh Sơn La.
- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu các phương pháp bù trong lưới điện trung
thế, mơ hình tốn và chương trình tính tốn xác định vị trí và dung lượng bù tối ưu
trong lưới điện trung thế. Đánh giá hiện trạng và đề xuất giải pháp bù cho lưới điện
trung thế huyện Mai Sơn.
Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp sử dụng cơ sở lý thuyết và phần mềm PSS/ADEPT để: (1) mơ hình hóa
bài tốn, (2) đề xuất giải pháp cho bài tốn và (3) mơ phỏng kiểm chứng bài toán.
Nội dung luận văn
Với mục tiêu nêu trên, luận văn được trình bày gồm các chương sau:
Chương 1. Giới thiệu chung
1.1. Vai trò, đặc điểm chung của lưới phân phối
1.2. Sự tiêu thụ công suất phản kháng
1.3. Các nguồn phát cơng suất phản kháng
1.4. Các tiêu chí bù cơng suất phản kháng trên luới phân phối

1.5. Sơ đồ đấu nối tụ và phương thức điều khiển tụ bù
Chương 2. Ảnh hưởng của thiết bị bù, các phương pháp tính toán bù trong
lưới điện phân phối
2.1. Ảnh huởng của thiết bị bù đến thông số thiết kế


2.2. Ảnh hưởng của thiết bị bù đến tổn thất công suất và điện năng
2.3. Ảnh hưởng của thiết bị bù đến chế độ điện áp của lưới phân phối
2.4. Các phương pháp tính tốn dung luợng và vị trí bù cơng suất phản kháng,
cơng cụ tính tốn bù
2.5. Đánh giá hiệu quả của bù công suất phản kháng
Chương 3. Tính tốn xác định vị trí và dung lượng bù tối ưu cho lưới điện
trung thế huyện Mai Sơn
3.1. Hiện trạng lưới điện trung thế huyện Mai Sơn
3.2. Tính tốn xác định vị trí và dung lượng bù tối ưu cho lưới điện trung thế
huyện Mai Sơn
3.3. Đề xuất các giải pháp nhằm đảm bảo vận hành tối ưu các bộ tụ bù trên hệ
thống lưới điện trung thế huyện Mai Sơn
Kết luận, kiến nghị


CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Vai trò, đặc điểm chung của lưới phân phối
Lưới điện phân phối là một phần của hệ thống điện, làm nhiệm vụ phân phối
điện năng từ các trạm trung gian, các trạm khu vực hay thanh cái của nhà máy điện
cấp điện cho phụ tải. LĐPP là khâu cuối cùng của hệ thống điện đưa điện năng trực
tiếp đến người tiêu dùng. Tính đến nay lưới điện phân phối đã trải khắp các xã trên đất
nước, tuy nhiên cịn một số thơn, bản vẫn chưa được dùng điện lưới quốc gia mà họ
vẫn phải dùng điện từ các thuỷ điện nhỏ hoặc máy phát điện diesel.
Do vậy việc nghiên cứu tổng thể về lưới phân phối 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, 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 lưới do ảnh
hưởng của sóng hài bậc cao nhằm cải thiện chất lượng cung cấp và tăng hiệu quả kinh
tế là một vấn đề thời sự đang được ngành điện quan tâm.
Đặc điểm chung của lưới phân phối:
a. Chế độ vận hành bình thường của lưới phân phối là vận hành hở, hình tia
hoặc dạng xương cá. Để tăng cường độ tin cậy cung cấp điện một số khu vực cũng có
cấu trúc mạch vịng nhưng vận hành hở.
b. Trong mạch vòng các xuất tuyến được liên kết với nhau bằng dao cách ly
hoặc thiết bị nối mạch vòng các thiết bị này vận hành ở vị trí mở trong trường hợp cần
sửa chữa hoặc sự cố đường dây thì việc cung cấp điện không bị gián đoạn lâu dài nhờ
việc chuyển đổi nguồn cung cấp bằng thao tác đóng dao cách ly phân đoạn hoặc tự
động chuyển đổi nhờ các thiết bị nối mạch vòng.
Phụ tải lưới phân phối đa dạng và phức tạp, các phụ tải sinh hoạt, dịch vụ, nông
nghiệp, công nghiệp hầu hết cùng trong một hộ phụ tải. So với mạng hình tia, mạch
vịng có chất lượng điện tốt hơn, đó chính là lý do tồn tại mạch vòng, song lại gây
phức tạp về vấn đề bảo vệ rơle, cấu trúc mạch vịng chỉ thích hợp cho những máy biến
áp có cơng suất lớn và có số lượng trạm trên mạch vịng ít. Mặt khác cùng với một giá
trị đầu tư thì hiệu quả khai thác mạch vịng kín so với mạch hình tia là thấp hơn. Ngồi
ra chất lượng phục vụ của mạng hình tia đã liên tục được cải thiện đặc biệt là những


thập niên gần đây với sự xuất hiện của các thiết bị có cơng nghệ mới và các thiết bị tự
động, việc giảm bán kính cung cấp điện, tăng tiết diện dây dẫn và bù công suất phản
kháng cho nên chất lượng điện mạng hình tia đã được cải thiện lên rất nhiều.
Kết quả của các nghiên cứu và thống kê từ thực tế vận hành đã đưa đến kết luận
nên vận hành lưới phân phối theo dạng hình tia bởi các lý do:
- Vận hành đơn giản;
- Trình tự phục hồi lại lưới sau sự cố dễ dàng hơn;

- Ít gặp khó khăn trong việc lập kế hoạch cắt điện cục bộ.
Với các lý do trên nên trong phần tiếp theo của nội dung luận văn chỉ tập trung
đi sâu tìm hiểu việc bù cơng suất phản kháng trên lưới phân phối hở và các lợi ích của
việc bù công suất phản kháng.
1.2. Sự tiêu thụ công suất phản kháng
Xét sự tiêu thụ năng lượng trong một mạch có điện trở và điện kháng:
U

R

U

P+jQ

p+jq

Hình 1.1 Sơ đồ cung cấp đơn giản
Mạch được cung cấp bởi điện áp: u = Umsinωt;

(1.1)

Dịng điện i lệch pha với u một góc φ:
i = Imsin(ωt- φ); hay i = Im(sinωt.cosφ - sinφ.cosωt);

(1.2)

i1 = Imsinωt.cosφ

(1.3)

i2 = Imsinφ.cosωt = Imsinφ.sin(ωt-π/2)

(1.4)

UIcos

0

UIsin

Q

P

UI

S

Hình 1.2 Quan hệ giữa P và Q


Như vậy dòng điện i là tổng của 2 dòng điện thành phần:
(1.5)

i = i1+i2
i1 có biên độ Imcosφ cùng pha với điện áp;
i2 có biên độ Imsinφ chậm pha so với điện áp một góc π/2
Cơng suất tương ứng với hai thành phần i1 và i2 là:
P: gọi là công suất tác dụng;
Q: gọi là công suất phản kháng;

Ta cũng có thể viết:
2

2

(1.6)

2

2

(1.7)

P = U.I.cosφ = Z.I.(Icosφ) = ZI .R/Z = R.I ;
Q = U.I.sinφ = Z.I.(Isinφ) = ZI .X/Z = X.I ;
Như vậy:

Công suất tác dụng (CSTD) là cơng suất có hiệu lực biến năng lượng điện thành
các dạng năng lượng khác và sinh ra công.
Công suất phản kháng (CSPK) của một nhánh nói lên cường độ của quá trình
dao động năng lượng. CSPK được tiêu thụ ở động cơ KĐB, MBA, đường dây tải điện
và mọi nơi có từ trường. Yêu cầu CSPK chỉ có thể giảm đến tối thiểu chứ khơng thể
triệt tiêu được vì nó cần thiết để tạo ra từ trường, yếu tố cần thiết trong q trình
chuyển hố điện năng.
Sự tiêu thụ CSPK trên lưới điện có thể được phân chia một cách gần đúng như
sau:
- Động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 60-65%;
- Máy biến áp tiêu thụ 22-25%;
- Đường dây tải điện và các phụ tải khác 10%.
Như 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 được biến thành công như 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. Việc tạo ra CSPK cung cấp cho các phụ tải
khơng 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...


Nhu cầu công suất phản kháng chủ yếu là ở các Cơng ty, Xí nghiệp cơng
nghiệp, cosφ của chúng dao động từ 0,5 đến 0,8 nghĩa là cứ 1 kW cơng suất tác dụng
thì chúng u cầu từ 0,75 đến 1,7 kVAr cơng suất phản kháng. Bởi vì, trong xí nghiệp
công nghiệp phụ tải chủ yếu là các động cơ KĐB và MBA... do vậy muốn giảm công
suất phản kháng phải chú ý đến các phụ tải này.
Nhu cầu công suất phản kháng ở các hộ phụ tải sinh hoạt, dân dụng khơng
nhiều vì cosφ của chúng thường lớn hơn 0,9.
Nhu cầu công suất phản kháng ở các MBA công suất nhỏ là 10% công suất
định mức của chúng, ở MBA lớn là 3%, còn các MBA siêu cao áp có thể là từ 8- 10%
để hạn chế dịng ngắn mạch.
Ví dụ sau đây minh họa ảnh hưởng của hệ số cơng suất đến cơng suất tồn
phần:
100kW

100kW

75kVAr

100kW

100kVAr

Hình 1.3 Quan hệ giữa hệ số cơng suất và cơng suất tồn phần
Bảng 1.1 Quan hệ giữa hệ số công suất và công suất toàn phần
Cosφ = 1,0

Cosφ = 0,8

Cosφ = 0,7

P = 100kW

P = 100kW

P = 100kW

Q=0

Q = 75kVAr

Q = 100kVAr

S = 100kVA

S = 125kVA

S = 141kVA

1.3. Các nguồn phát công suất phản kháng
Khả năng phát công suất phản kháng của các nhà máy điện là rất hạn chế do
cosφ của các máy phát từ 0,8-0,85 và cao hơn nữa. Vì lý do kinh tế người ta không chế
tạo các máy phát có khả năng phát nhiều CSPK cho phụ tải. Các máy phát chỉ đảm

đương một phần nhu cầu công suất phản kháng của phụ tải, phần còn lại do các thiết bị
bù đảm nhiệm (máy bù đồng bộ, tụ điện,...). Trong hệ thống phải tính đến một nguồn
cơng suất phản kháng nữa, đó là các đường dây, đặc biệt là các đường cáp và 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 35 kV dài và các đường cáp ngầm. Tuy nhiên CSPK phát ra
từ các phần tử này cũng không đáng kể nên nguồn phát CSPK chính trong lưới phân
phối vẫn là tụ điện, động cơ đồng bộ và máy bù.
Các ưu nhược điểm của các nguồn công suất phản kháng:
a) Ưu điểm của tụ điện:
- Chi phí tính theo 1VAr của tụ điện rẻ hơn máy bù đồng bộ, ưu điểm này càng
nổi bật khi dung lượng càng tăng.
- Tổn thất công suất tác dụng trong tụ điện rất nhỏ, khoảng 0,05-0,1 W/kVAr;
trong khi đó máy bù đồng bộ tương đối lớn, khoảng 3-15 W/kVAr tuỳ theo công suất
định mức của máy.
- Tụ điện vận hành đơn giản, độ tin cậy cao hơn máy bù đồng bộ.
- Tụ điện lắp đặt đơn giản, có thể phân ra nhiều cụm để lắp rải trên lưới phân
phối, hiệu quả là cải thiện tốt hơn đường cong phân bổ điện áp. Không cần người trông
nom vận hành. Việc bảo dưỡng, sửa chữa đơn giản.
b) Nhược điểm của tụ điện so với máy bù đồng bộ:
- Máy bù đồng bộ có thể điều chỉnh trơn cịn tụ điện điều chỉnh từng cấp.
- Máy bù có thể phát ra hay tiêu thụ CSPK, tụ điện chỉ phát ra CSPK.
- Công suất phản kháng do tụ điện phát ra phụ thuộc vào điện áp vận hành, thời
gian vận hành, tuổi thọ ngắn, dễ hư hỏng (khi bị ngắn mạch, quá áp).
c) Các nhược điểm của tụ điện ngày nay đã được khắc phục:
Để điều chỉnh trơn dung lượng công suất phản kháng người ta sử dụng thiết bị
bù tĩnh SVC (Static VAr Compensator).
- Để có thể phát hay tiêu thụ cơng suất phản kháng người ta dùng SVC, tổ hợp
TSC và TCR (Thyristor Controlled Reactor).

- Để bảo vệ quá áp và kết hợp điều chỉnh tụ bù theo điện áp người ta đặt các bộ
điều khiển đóng cắt tụ theo điện áp.
- Với các ưu điểm vượt trội so với máy bù đồng bộ, ngày nay người ta thường
dùng các bộ SVC để bù công suất phản kháng.


Phối hợp công suất phản kháng
Trong hệ thống điện, bù công suất phản kháng phân ra làm hai loại: Bù cưỡng
bức hay bù kỹ thuật: là bù một lượng 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 dư thừa so với yêu cầu của phụ tải ở chế độ max
để dự phịng cho sự cố.
Ngồi ra cơng suất phản kháng cịn có thể thiếu cục bộ. Do vậy cần phải bù trực
tiếp và hơn nữa khi bù cưỡng bức, một lượng công suất phản kháng đáng kể vẫn phải
lưu thông trong lưới phân phối, gây ra tổn thất công suất và tổn thất điện năng khá lớn.
Để khắc phục các vấn đề này người ta thực hiện bù kinh tế. Trong những năm gần đây,
người ta lại càng quan tâm đến việc tăng cường sự hoạt động của hệ thống điện như
giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và tìm cách sử dụng tốt hơn các thiết bị sẵn có trên lưới
để hạn chế mua thiết bị mới.
Khi thực hiện bù kinh tế người ta tính tốn để đạt được các lợi ích, nếu lợi ích
thu được cho việc lắp đặt thiết bị bù lớn hơn chi phí lắp đặt thì việc bù kinh tế sẽ được
thực hiện.
Các lợi ích khi lắp đặt bù:
- Giảm được công suất tác dụng yêu cầu ở chế độ max của hệ thống điện do đó
giảm được dự trữ cơng suất tác dụng (hoặc tăng được độ tin cậy) của hệ thống điện;
- Giảm nhẹ tải cho các máy biến áp trung gian và các đường trục trung áp do
giảm chuyển tải công suất phản kháng và hiệu quả là thời gian cải tạo nâng dung
lượng, tăng tiết diện dây dẫn được kéo dài hơn;
- Giảm được tổn thất điện năng;

- Cải thiện được chất lượng điện áp cung cấp cho các phụ tải;
- Cải thiện hệ số công suất;
- Cân bằng tải.
Các yếu tố có liên quan là sự lạm phát, thiếu nhiên liệu và trượt giá, lãi suất của
vốn vay để đầu tư nâng cấp lưới điện... Để giải quyết vấn đề này cần phải làm tốt công
tác quản lý công suất phản kháng.


Quản lý cơng suất phản kháng có thể được xác định như sau: Điều khiển điện
áp máy phát, điều chỉnh nấc phân áp của các máy biến áp có điều áp dưới 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 như lắp đặt thêm các cuộn kháng hay thay đổi công
nghệ điều khiển bù sao cho giảm được tổn thất công suất và tổn thất điện năng trên hệ
thống hoặc điều khiển điện áp một cách tốt nhất.
1.4. Các tiêu chí bù cơng suất phản kháng trên lưới phân phối
1.4.1. Tiêu chí kỹ thuật
1.4.1.1. Yêu cầu về cosφ
Phụ tải của các hộ gia đình thường có hệ số cơng suất cao, thường là gần bằng
1, do đó mức tiêu thụ CSPK rất ít, không thành vấn đề lớn cần quan tâm. Trái lại, các
xí nghiệp, nhà máy, phân xưởng... đại bộ phận dùng động cơ không đồng bộ, là nơi
tiêu thụ chủ yếu CSPK. Hệ số công suất của động cơ không đồng bộ phụ thuộc vào
điều kiện làm việc của động cơ, các yếu tố chủ yếu như sau:
- Dung lượng của động cơ càng lớn thì hệ số cơng suất càng cao, suất tiêu thụ
CSPK càng nhỏ.
- Hệ số công suất của động cơ phụ thuộc vào tốc độ quay của động cơ, nhất là
đối với các động cơ nhỏ. Ví dụ: Động cơ công suất 1 kW nếu quay với tối độ 3000
v/ph thì cosφ = 0,85, cịn nếu quay với tốc độ 750 v/ph thì cosφ sụt xuống cịn 0,65.
Công suất của động cơ không đồng bộ càng lớn thì sự cách biệt của hệ số cơng suất
với các tốc độ quay khác nhau càng ít.
- Hệ số cơng suất của động cơ không đồng bộ phụ thuộc rất nhiều vào hệ số phụ

tải của động cơ, khi quay không tải lượng CSPK cần thiết cho động cơ không đồng bộ
cũng đã bằng 60 -70% lúc tải định mức. Công suất phản kháng Q cần thiết khi phụ tải
của động cơ bằng p có thể được tính theo Biểu thức sau:
2


P
 Qkh.tai
 .
Q  kh.tai 
n

Q
Q
P
 n

(1.8)

Trong đó:
+ Pn và Qn là công suất tác dụng và công suất phản kháng cần cho động cơ khi
làm việc với phụ tải định mức.


+ Qkh.tải là CSPK cần cho động cơ chạy không tải, với động cơ có cosφn = 0,9
thì Qkh.tải = 0,6.Qn, với động cơ có cosφn = 0,8 thì Qkh.tải = 0,7.Qn. Như vậy với biểu
thức trên ta thấy rằng động cơ có cosφn = 0,8 khi tải tụt xuống cịn 50% cơng suất định
mức thì cosφ tụt xuống cịn 0,6.
1.4.1.2. Đảm bảo mức điện điện áp cho phép
Khi có điện chạy trong dây dẫn thì bao giờ cũng có điện áp rơi, cho nên điện áp

ở từng điểm khác nhau trên lưới không giống nhau. Tất cả các thiết bị tiêu thụ điện
đều được chế tạo để làm việc tối ưu với một điện áp đặt nhất định, nếu điện áp đặt trên
đầu cực của thiết bị điện khác trị số định mức sẽ làm cho tình trạng làm việc của
chúng xấu đi, ví dụ:
1) Đèn thắp sáng (sợi nung)
Khi điện áp đặt U = Un - 5%Un thì quang thông giảm đi tới 18%. Nếu điện áp
giảm đi 10% thì quang thơng giảm tới 30%.
Khi điện áp đặt tăng lên 5% so với điện áp danh định thì tuổi thọ của bóng đèn
bị giảm đi một nửa, nếu tăng lên 10% thì bị giảm đi cịn dưới 1/3 ...
2) Các đồ điện gia dụng
2

Các đồ điện gia dụng như bếp điện, bàn là điện, lị nuớng …. Vì có: P = RI =
2

U /R nên khi điện áp u giảm đi nhiều, thì kết quả phải làm việc mất nhiều thời gian
hơn, tổn thất cũng vì thế mà tăng.
3) Các loại động cơ điện
Là các thiết bị chủ yếu trong các xí nghiệp cơng nghiệp, mơmen quay M của
các động cơ khơng đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp đặt vào đầu cực của chúng.
Nếu U giảm thì M giảm rất nhanh. Giả sử khi điện áp đặt vào động cơ U = Un ta có
tuơng ứng Mn = 100%, nhưng khi điện áp đặt U = 90%Un thì mơmen quay M =
81%Mn. Nếu U đặt giảm quá nhiều, động cơ có thể bị ngừng quay, hoặc không thể
khởi động được. Mômen quay của các động cơ khơng đủ có thể gây ra hỏng sản phẩm
hoặc làm giảm chất lượng sản phẩm.
Khi các động cơ đầy tải mà điện áp đặt vào đầu cực của động cơ tăng 10%
trong một thời gian dài thì vật liệu cách điện trong động cơ mau hỏng vì nhiệt độ dây
quấn và lõi thép tăng cao, khi đó tuổi thọ của động cơ chỉ còn một nửa.

Vì các lý do trên, việc đảm bảo điện áp ở mức cho phép là một chỉ tiêu kỹ thuật
rất quan trọng. Trên thực tế không thể nào giữ được điện áp đặt vào đầu cực của các
thiết bị điện cố định bằng điện áp định mức mà chỉ có thể đảm bảo trị số điện áp thay
đổi trong một phạm vi nhất định theo tiêu chuẩn kỹ thuật đã cho phép mà thôi, thông
thuờng điện áp đặt cho phép dao động ±5%
Độ lệch điện áp so với điện áp định mức của lưới điện:
U  Un
.
V 

(1.9)

100
Un
U là điện áp thực tế trên cực các thiết bị dùng điện, ΔV phải thỏa mãn điều kiện
-

sau: ΔV ≤ ΔV ≤ ΔV
-

+

+

ΔV và ΔV là giới hạn dưới và giới hạn trên của đồ lệch điện áp.
- Ở nuớc ta, theo “Quy phạm trang bị điện” độ lệch điện áp cho phép trên phụ
tải là:
+ Đối với động cơ điện: ΔV = (- 5 ÷ 10) %
+ Đối với các thiết bị chiếu sáng: ΔV = (- 2,5 ÷ 5) %
+ Đối với các thiết bị khác: ΔV = ± 5 %

Độ lệch điện áp là tiêu chuẩn điện áp quan trọng nhất ảnh huởng lớn đến giá
thành hệ thống điện.
Để điện áp đặt vào phụ tải hoàn toàn đúng với điện áp định mức của phụ tải yêu
cầu là một việc làm rất khó khăn, thực tế khơng thể thực hiện được, vì điện áp đặt tại
các đầu cực của thiết bị điện phụ thuộc vào tổn thất điện áp. Tổn thất điện áp trong quá
trình
truyền tải điện năng phụ thuộc vào thông số của mạng và chế độ vận hành của phụ tải.

U 

PR 
QX
U

(1.10)

Từ biểu thức trên ta thấy:
- ΔU phụ thuộc vào R, X của đường dây, khi đóng hay cắt đường dây thì R và
X sẽ thay đổi.
- P và Q là công suất của phụ tải, chúng luôn luôn thay đổi theo thời gian không
theo một quy luật nhất định nào.
- Nếu là mạng điện địa phương, tiết diện dây dẫn nhỏ, điện áp thấp, tức là R >


X, nên cơng suất tác dụng P sẽ có ảnh hưởng nhiều đến trị số ΔU
- Nếu là mạng điện khu vực, công suất truyền tải lớn, tiết diện dây dẫn lớn, điện
áp cao, tức là X > R nên CSPK sẽ ảnh hưởng nhiều đến ΔU.
Tóm lại nếu thay đổi P và Q truyền tải trên đường dây thì tổn thất điện áp trên
đường dây cũng thay đổi. Nhưng CSTD P chỉ có thể do máy phát điện phát ra và
truyền đến hộ tiêu thụ nhiều hay ít do phụ tải yêu cầu, ta không thể tùy ý thay đổi

được, vậy chỉ còn cách thay đổi CSPK Q chạy trên đường dây để thay đổi tổn thất điện
áp ΔU, nghĩa là điều chỉnh được điện áp tại phụ tải.
Có thể thay đổi sự phân bổ CSPK trên lưới, bằng cách đặt các máy bù đồng bộ
hay tụ điện tĩnh, và cũng có thể thực hiện được bằng cách phân bổ lại CSPK phát ra
giữa các nhà máy điện trong hệ thống.
1.4.1.3. Giảm tổn thất công suất đến giới hạn cho phép
Ta có cơng thức tính tốn tổn thất cơng suất:
2

P 

P Q
2

2

(1.11)

R

U
2
2
Q  P  2Q X
U

(1.12)

Từ công thức trên ta thấy rằng nếu nâng cao điện áp vận hành của mạng điện
thì ΔP và ΔA sẽ giảm. Nhưng các phụ tải thì có một mức điện áp nhất định do đó phải

làm sao đưa điện áp lên cao mà vẫn giữa được điện áp ở phụ tải là không đổi.
2

Tổn thất ΔP tỷ lệ nghịch với U do đó nếu tăng U thì ΔP giảm khá nhanh, chính
vì vậy càng nâng cao điện áp của mạng thì càng giảm được tổn thất.
Nếu điện áp của mạng so với điện áp cũ cao hơn được a% thì tổn thất công suất
sẽ giảm một lượng ΔP bằng:
2

P
 P  P
1 
2

S

U

S

R

2



 U 1

2




2

a

S
2 R   1
2

U



100  




1
100  



1

a 

 

2

(1.13)
R