Bù tối ưu công suất phản kháng lưới điện phân phối

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

NGUYỄN THỊ ÁNH TUYẾT

“BÙ TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI”

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. LÊ VIỆT TIẾN

Hà Nội -2013


1

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân. Các nghiên cứu
và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong
bất kỳ một luận văn nào trước đây
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Ánh Tuyết


2

MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 8
CHƯƠNG 1 .............................................................................................................. 11
TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG ........................................... 11
TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ......................................................................... 11
1.1.

Bù công suất phản kháng trong hệ thống điện [1, 2, 6, 11] ....................... 11

1.2. Phân loại bù công suất phản kháng trong lưới điện phân phối. ........................ 13
1.2.1. Theo tính chất bù............................................................................................ 13
1.2.2. Theo thiết bị bù .............................................................................................. 14
1.2.2.1.Máy bù đồng bộ ............................................................................................ 14
1.2.2.2.Tụ điện tĩnh ................................................................................................... 14
1.2.2.3. Ưu nhược điểm của các nguồn phát công suất phản kháng ......................... 16
1.3. Tình hình bù cơng suất phản kháng lưới điện ................................................... 17
1.4. Nhận xét và kết luận chương 1.......................................................................... 18
CHƯƠNG 2 .............................................................................................................. 19
CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN BÙ ................................................................ 19
CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG................................................................................. 19
2.1. Xác định dung lượng và vị trí bù cơng suất phản kháng ....................................... 19
2.1.1. Xác định dung lượng bù CSPK để nâng cao hệ số cơng suất cosφ .................... 19
2.1.2. Tính bù CSPK theo điều kiện cực tiểu tổn thất công suất .................................. 20
2.1.2.1 Phân phối dung lượng bù trong mạng hình tia ................................................. 20


3

2.1.2.2. Phân phối dung lượng bù trong mạng phân nhánh.......................................... 22

2.2. Bù công suất phản kháng theo điều kiện điều chỉnh điện áp ................................. 23
2.2.1. Xác định dung lượng bù CSPK khi đặt thiết bị bù tại 1 trạm ............................. 23
2.2.2. Xác định dung lượng bù CSPK khi đặt thiết bị bù tại nhiều trạm .................. 27
2.2.2.1. Xác định dung lượng bù của mạng điện có 1 nguồn cung cấp ................... 27
2.2.2.2. Xác định dung lượng bù của mạng điện kín .............................................. 29
2.3. Lựa chọn dung lượng bù theo quan điểm kinh tế .............................................. 31
2.4. Nhận xét và kết luận chương 2........................................................................... 35
Hiện nay có rất nhiều phương pháp giải bài tốn bù cơng suất phản kháng trong lưới
điện cung cấp. Tuy nhiên các phương pháp này thường được dùng tùy theo từng
trường hợp cụ thể, phụ thuộc vào mục đích tính tốn và đánh giá. .......................... 35
CHƯƠNG 3 .............................................................................................................. 37
TÍNH TỐN BÙ TỐI ƯU CƠNG SUẤT PHẢN KHÁNG..................................... 37
3.1. Lộ 971 Đồng Quan và biều đồ phụ tải. .............................................................. 37
3.2. Các số liệu tính tốn. .......................................................................................... 42
3.3. Kết quả tính tốn ................................................................................................ 47
3.3.1. Khi chưa đặt bù ............................................................................................... 47
3.3.2. Khi đặt bù ........................................................................................................ 51
3.4. Nhận xét và kết luận chương 3........................................................................... 56
CHƯƠNG 4 .............................................................................................................. 58
SỬ DỤNG PHẦN MỀM PSS/ADEPT ĐỂ TÍNH TỐN........................................ 58
4.1. Các cơ sở tính tốn bù CSPK bằng chương trình PSS/ADEPT......................... 58
4.1.1. Cơ sở lý thuyết tính tốn bù tối ưu theo phương pháp phân tích động theo
dòng tiền tệ ................................................................................................................ 58


4

4.1.2. Phương pháp tính tốn bù tối ưu ..................................................................... 59
4.2. Cách bước tính CAPO trong PSS/adept............................................................ 61
4.2.1. Xây dựng sơ đồ tính tốn ................................................................................ 61

4.2.2. Thiết lập các thơng số kinh tế lưới điện cho CAPO ....................................... 61
4.2.3. Cách PSS/ADEPT tính các vấn đề kinh tế trong CAPO ............................... 63
4.2.4. Thiết lập các tùy chọn cho phép phân tích CAPO .......................................... 63
4.2.5. Cách PSS/ADEPT tìm vị trí đặt tụ bù tối ưu .................................................. 65
4.2.6. Cách chạy bài tốn tìm vị trí đặt tụ bù tối ưu .................................................. 68
4.2.7. Report sau khi phân tích và tính tốn .............................................................. 68
4.3. Tính tốn theo phần mềm PSS/adept ................................................................. 69
4.3.1. Sơ đồ và các thơng số tính tốn ...................................................................... 69
4.3.2. Khi chưa đặt bù ............................................................................................... 73
4.3.3. Khi đặt bù ........................................................................................................ 75
4.3.3.1. Đặt bù theo kết quả tính tốn lý thuyết. ....................................................... 75
4.3.3.2. Đặt bù theo kết quả tính tốn tối ưu ............................................................. 77
4.5. Nhận xét và rút ra kết luận ................................................................................. 82
CHƯƠNG 5 .............................................................................................................. 84
ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ KẾT QUẢ ................................................................... 84
5.1. Kết luận .............................................................................................................. 84
5.2. Kiến nghị ............................................................................................................ 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 86
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 87


5

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
CĐXL

Chế độ xác lập

CSPK

Công suất phản kháng

CSTD

Công suất tác dụng

HTĐ

Hệ thống điện

MBA

Máy biến áp

LPP

Lưới phân phối

SVC

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

PSS/ADEPT Power

System

Productivity Tool

Simulator/Advanced

Distribution

Engineering


6

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1

Điện năng cung cấp cho các thành phần phụ tải

Bảng 3.2

Đồ thị phụ tải của các thành phần đã được chuẩn hóa

Bảng 3.3

Đồ thị phụ tải của lộ 971 Đồng Quan

Bảng 3.4

Đồ thị phụ tải của lộ 971 Đồng Quan chuẩn hóa

Bảng 3.5

Thơng số máy biến áp trên lộ 971 Đồng Quan

Bảng 3.6

Thông số đường dây của lộ 971 Đồng Quan

Bảng 3.7

Thông số phụ tải của đường dây 971 Đồng Quan

Bảng 3.8

Kết quả tính tốn cơng suất trên lộ 971 Đồng Quan khi chưa bù

Bảng 3.9

Kết quả tính tốn tổn thất lộ 971 Đồng Quan khi chưa đặt bù

Bảng 3.10

Bảng tính tốn kết quả bù theo chỉ tiêu kinh tế lần 1

Bảng 3.11

Bảng tính tốn kết quả bù theo chỉ tiêu kinh tế lần 2

Bảng 3.12

Kết quả tổn thất lộ 971 Đồng Quan khi đặt bù

Bảng 3.13

Bảng tổng hợp kết quả bù

Bảng 4.1

Các thông số máy biến áp theo chương trình PSS/adept

Bảng 4.2

Kết quả tính tổn thất theo chương trình PSS/adept khi chưa đặt bù

Bảng 4.3

Kết quả tính tổn thất theo chương trình PSS/adept khi đặt bù

Bảng 4.4

Bảng giá trị suất đầu tư tụ bù trung áp cố định

Bảng 4.5

Các thông số kinh tế cho lặp đặt tụ bù

Bảng 4.6

Vị trí và dung lượng bù ở lưới trung áp theo phần mềm PSS/adept

Bảng 4.7

Kết quả tính tổn thất theo chương trình PSS/adept khi đặt bù

7

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1

Mạch điện đơn giản RL

Hình 1.2

Quan hệ giữa cơng suất P và Q

Hình 2.1

Phân phối dung lượng bù trong mạng hình tia

Hình 2.2

Phân phối dung lượng bù trong mạng phân nhánh

Hình 2.3

Sơ đồ mạng điện dùng máy bù đồng bộ để điều chỉnh điện áp

Hình 2.4

Sơ đồ mạng điện có phân nhánh

Hình 2.5

Sơ đồ mạng điện kín: a. Sơ đồ nối dây; b. Sơ đồ thay thế.

Hình 2.6

Mạng điện có đặt bù tụ điện tại hai trạm biến áp T b và T c

Hình 2.7

Điều chỉnh điện áp trong mạng điện kín bằng tụ điện

Hình 2.8

Sơ đồ mạch tải điện có đặt thiết bị tù.

Hình 2.9

Đồ thi phụ tải phản kháng năm

Hình 2.10

Sơ đồ tính tốn dung lượng bù tại nhiều điểm.

Hình 3.1

Đồ thị phụ tải của lộ 971 Đồng Quan chuẩn hóa theo cơng
suất lớn nhất 2011

Hình 3.2

Sơ đồ lộ 971 Đồng Quan

Hình 3.3

Sơ đồ thay thế lộ 971 Đồng Quan

Hình 3.4

Biểu đồ tương quan tổn thất của lộ 971 Đồng Quan

Hình 4.1

Hộp thoại thiết đặt thơng số kinh tế trong CAPO

Hình 4.2

Hộp thoại thiết đặt thơng số trong CAPO

Hình 4.3

Kết quả tính tốn CAPO

Hình 4.4

Mô tả sơ đồ lộ 971 Đồng Quan trên phần mềm PSS/adept

Hình 4.5

Biểu đồ tổn thất cơng suất cho các kịch bản


8

MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Đất nước ta đang ngày càng phát triển, q trình đơ thị hố ngày càng rộng rãi,
ngành điện luôn phải đi trước trong công cuộc cơng nghiệp hố và hiện đại hố.
Năng lượng điện trực tiếp cung cấp cho các hộ tiêu thụ thông qua lưới điện phân
phối. Tuy nhiên, các nhà máy xí nghiệp, các khu cơng nghiệp ngày càng phát triển
nhanh chóng địi hỏi tiêu thụ công suất phản kháng càng tăng, điều này làm giảm hệ
số cosφ, giảm chất lượng điện năng, tăng tổn thất. Vì vậy, nhu cầu về nguồn cung
cấp công suất phản kháng từ đầu nguồn tăng lên trong khi đó lượng cơng suất đầu
nguồn khơng đổi dẫn đến giảm lượng công suất tác dụng cần truyền tải không có lợi
cho người sử dụng.
Vấn đề đặt ra phải giảm lượng công suất phản kháng cần truyền tải trên lưới
là nhỏ nhất. Do đó, việc lắp đặt hệ thống tụ bù công suất phản kháng cho lưới điện
phân phối là điều cần thiết.
Trong q trình tìm hiểu, có một số các luận văn [5], [7], [8]… đã nghiên cứu
về vấn đề bù công suất phản kháng và tinh đến ảnh hưởng của tụ bù đến chất lượng
điện áp của lưới điện phân phối. Các nghiên cứu tìm hiểu theo chỉ tiêu giảm tổn thất
điện năng và thông qua các phần mềm chun dùng để tính tốn tìm ra vị trí bù tối
ưu cho lưới điện.
Luận văn đặt vấn đề tìm hiểu và đánh giá một số phương pháp tính tốn tìm vị
trí và xác định dung lượng bù tối ưu cần đặt dựa trên các số liệu thu thập lưới điện
của huyện Phú Xuyên thành phố Hà Nội. Từ đó, so sánh và đánh giá giữa tính tốn
lý thuyết và phần mềm PSS/adpet để bước đầu đánh giá độ chính xác của phần mềm
ứng dụng.
Mục đích nghiên cứu của đề tài


9

- Tìm hiểu tổng quan về lưới điện phân phối và phương pháp tính tốn bù
cơng suất phản kháng cho lưới điện phân phối.
- Nghiên cứu phương pháp để xác định dung lượng đặt thiết bị bù, vị trí đặt
bù nhằm đem lại hiệu quả tối ưu cả về kinh tế và kỹ thuật cho lưới phân phối.
- So sánh mức độ chính xác của việc đặt bù tối ưu giữa tính tốn lý thuyết và
phần mềm.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
- Đối tượng nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu về bù tối ưu cho trong
lưới điện phân phối, lập hàm mục tiêu theo điều kiện kinh tế kỹ thuật để mơ phỏng
tính tốn bù tối ưu công suất phản kháng.
- Phạm vi nghiên cứu: lưới điện phân phối hở của huyện Phú Xuyên.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài.
- Đánh giá được vị trí và dung lượng bù công suất phản kháng tối ưu cho lưới
điện phân phối là một trong yếu tố cần thiết cho công tác quản lý vận hành.
- Kết quả được sử dụng để so sánh các phương pháp xác định bù cơng suất
phản kháng tính tốn trên cơ sở lưới điện phân phối và phần mềm PSS/adept.
Nội dung nghiên cứu.
- Nghiên cứu mơ hình bài tốn bù kinh tế cơng suất phản kháng đưa ra một
phương pháp bù công suất phản kháng hiệu quả cho lưới phân phối.
- Sử dụng phần mềm PSS/ adept để tính tốn các bài tốn trên.
- Thu thập số liệu lưới điện phân phối thực tế để đưa vào chương trình tính
tốn đưa ra lời giải tối ưu.
Bố cục luận văn.
Chương 1: Tổng quan về bù công suất phản kháng trong lưới điện phân phối


10

Chương 2: Các phương pháp tính tốn bù cơng suất phản kháng trong lưới điện
phân phối.

Chương 3: Tính tốn bù công suất phản kháng tối ưu.
Chương 4: Sử dụng phần mềm tính tốn
Chương 5: Đánh giá kết quả và kết luận


11

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
1.1. Bù công suất phản kháng trong hệ thống điện [1, 2, 6, 11]
Xét sự tiêu thụ năng lượng trong một mạch điện đơn giản có tải là điện trở và
điện kháng (hình 1.1) sau:
Mạch điện được cung cấp bởi điện áp
u = U m . sinωt

(1.1)

R
U
X

Hình 1.1. Mạch điện đơn giản RL
Dòng điện i lệch pha với điện áp u một góc φ:
i = I m . sin(ωt – φ) hay
Có thể coi:

i = I m . (sinωt.cos φ – sinφ.cosωt)

i = i’ + i’’

với i’ = I m .cos φ. sinωt
i’’ = I m . sinφ.cosωt = I m . sinφ.sin(ωt –π/2)
Như vậy dòng điện i là tổng của hai thành phần:
i’ có biên độ I m .cos φ cùng pha với điện áp u
i’’ có biên độ I m . sinφ chậm pha với điện áp một góc π/2
Cơng suất tương ứng với hai thành phần i’ và i’’ là:
P = U.I.cosφ gọi là công suất tác dụng
Q = U.I.sinφ gọi là công suất phản kháng
Từ cơng thức (1.1), (1.2) ta có thể viết:

(1.2)
(1.3)


12

R
P = U.I.cosφ = Z.I(I.cosφ) = Z.I .
= R.I2
Z

(1.3)

X
= X.I2
Z

(1.4)

2

Q = U.I.sinφ = Z.I(I.sinφ) = Z.I2.
0

U.I.cosφ

P

U.I.sinφ

S = U.I
Q

Hình 1.2. Quan hệ giữa công suất P và Q
CSPK là thành phần công suất tiêu thụ trên điện cảm hay phát ra trên điện
dung của mạch điện.
Công suất phản kháng (CSPK) được tiêu thụ ở động cơ, máy biến áp, trên
đường dây và ở nơi có từ trường. Tuy nhiên, cơng suất phản kháng cần thiết để tạo
ra từ trường là yếu tố trung gian trong q trình chuyển hố điện năng nên không
thể triệt tiêu công suất phản kháng mà chỉ có thể giảm tối thiểu lượng cơng suất
phản kháng truyền tải trên lưới.
Công suất phản kháng tiêu thụ trên lưới điện có thể chia gần đúng:
- Động cơ khơng đồng bộ tiêu thụ khoảng 60% đến 65%.
- Máy biến áp tiêu thụ khoảng 22% đến 25%.
- Đường dây tải điện và thiết bị khác tiêu thụ 10%
Như vậy, tại động cơ đồng bộ và máy biến áp tiêu thụ lượng công suất phản
kháng là lớn nhất. Nhu cầu về công suất phản kháng chủ yếu trong các xí nghiệp
cơng nghiệp nên cosφ dao động từ 0,5 đến 0,85, ở các hộ phụ tải sinh hoạt và dân

13

dụng khơng nhiều vì cosφ thường lớn hơn 0,9. Trong khi đó khả năng phát cơng
suất phản kháng của các nhà máy điện rất hạn chế do cosφ của máy phát từ 0,8 đến
0,85 và có thể cao hơn. Do vấn đề kinh tế nên người ta chỉ chế tạo các máy phát có
khả năng phát một phần cơng suất phản kháng cho phụ tải còn phần còn lại do thiết
bị bù đảm nhận.
Lợi ích khi đặt bù:
+ Giảm đuợc công suất phản kháng yêu cầu ở chế độ max của hệ thống điện
do đó giảm được dự trữ cơng suất phản kháng (hoặc làm tăng độ tin cậy) hệ thống
điện.
+ Giảm nhẹ tải của MBA trung gian và đường trục trung áp do giảm được
yêu cầu công suất phản kháng, làm tăng tuổi thọ của chúng.
+ Giảm được tổn thất điện năng
+ Cải thiện chất lượng điện áp trong lưới phân phối.
1.2. Phân loại bù công suất phản kháng trong lưới điện phân phối.
1.2.1. Theo tính chất bù
- Cưỡng bức phụ tải mà chủ yếu là các xí nghiệp công nghiệp phải đảm bảo
cosφ của họ ở mức cho phép. Cách này nhằm giảm yêu cầu công suất phản kháng.
- Đặt bù công suất phản kháng trong hệ thống điện để giải quyết phần thiếu
cịn lại.
Tóm lại trong hệ thống điện phải bù cưỡng bức hay bù kỹ thuật một lượng
công suất phản kháng nhất định để đảm bảo cân bằng công suất phản kháng trong
hệ thống điện.
Hệ thống điện thiếu cơng suất phản kháng thì việc bù kỹ thuật là bắt buộc,
gọi là bù cưỡng bức.
Sau khi bù cưỡng bức, một lượng công suất phản kháng đáng kể vẫn lưu
thông qua lưới phân phối trung áp 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 được thực
hiện khi nó thực sự mang lại lợi ích, nghĩa là lợi ích kinh tế mà nó mang lại phải


14

lớn hơn chi phí vận hành và lắp đặt trạm bù.
1.2.2. Theo thiết bị bù
1.2.2.1.Máy bù đồng bộ
Máy bù đồng bộ là loại máy điện đồng bộ chạy không tải dùng để phát hoặc
tiêu thụ CSPK. Máy bù đồng bộ là phương pháp cổ truyền để điều chỉnh liên tục
CSPK. Các máy bù đồng bộ thường được dùng trong hệ thống truyền tải, chẳng
hạn ở đầu vào các đường dây tải điện dài, trong các trạm biến áp quan trọng và
trong các trạm biến đổi dòng điện một chiều cao áp.
Nếu ta tăng dịng điện kích từ i kt lên (q kích thích, dịng điện của máy bù
đồng bộ sẽ vượt trước điện áp trên cực của nó một góc 900) thì máy phát ra CSPK
Q b phát lên mạng điện. Ngược lại, nếu ta giảm dịng kích từ i kt (kích thích non, E <
U, dịng điện chậm sau điện áp 900) thì máy bù sẽ biến thành phụ tải tiêu thụ CSPK.
Vậy máy bù đồng bộ có thể tiêu thụ hoặc phát ra CSPK.
Các máy bù đồng bộ ngày nay thường được trang bị hệ thống kích thích từ
nhanh có bộ kích từ chỉnh lưu. Có nhiều phương pháp khởi động khác nhau, một
phương pháp hay dùng là khởi động đảo chiều.
1.2.2.2.Tụ điện tĩnh
Tụ điện tĩnh là một đơn vị hoặc một dãy đơn vị tụ nối với nhau và nối song
song với phụ tải theo sơ đồ hình sao hoặc tam giác, với mục đích sản xuất ra CSPK
cung cấp trực tiếp cho phụ tải, điều này làm giảm CSPK phải truyền tải trên đường
dây. Tụ bù tĩnh cũng thường được chế tạo không đổi (nhằm giảm giá thành). Khi
cần điều chỉnh điện áp có thể dùng tụ điện bù tĩnh đóng cắt được theo cấp, đó là
biện pháp kinh tế nhất cho việc sản xuất ra CSPK.
Tụ điện tĩnh cũng như máy bù đồng bộ làm việc ở chế độ quá kích CSPK trực

tiếp cấp cho hộ tiêu thụ, giảm được lượng CSPK truyền tải trong mạng, do đó giảm
được tổn thất điện áp.
CSPK do tụ điện phát ra được tính theo biểu thức sau:
Q C = U2.2πf.C.10-9 kVAr
Trong đó: - U có đơn vị là

kV

(1.5)


15

-

f tần số có đơn vị là Hz

-

C là điện dung có đơn vị là μF

Khi sử dụng tụ điện cần chú ý phải đảm bảo an toàn vận hành, cụ thể khi cắt tụ
ra khỏi lưới phải có điện trở phóng điện để dập điện áp.
Các tụ điện bù tĩnh được dùng rộng rãi để hiệu chỉnh hệ số công suất trong các
hệ thống phân phối điện như: hệ thống phân phối điện công nghiệp, thành phố, khu
đông dân cư và nông thôn. Một số các tụ bù tĩnh cũng được đặt ở các trạm truyền
tải.
Tụ điện là loại thiết bị điện tĩnh, làm việc với dòng điện vượt trước điện áp. Do
đó có thể sinh ra cơng suất phản khánh Q cung cấp cho mạng. Tụ điện tĩnh có
những ưu điểm sau:

- Suất tổn thất cơng suất tác dụng bé, khoảng (0,003 – 0,005) kW/kVAr.
- Khơng có phần quay nên lắp ráp bảo quản dễ dàng.
- Tụ điện tĩnh được chế tạo thành từng đơn vị nhỏ, vì thế có thể tùy theo sự
phát triển của phụ tải trong quá trình sản xuất mà điều chỉnh dung lượng cho phù
hợp.
Song tụ điện tĩnh cũng có một số nhược điểm sau:
- Nhược điểm chủ yếu của chúng là cung cấp được ít CSPK khi có rối loạn
hoặc thiếu điện, bởi vì dung lượng của cơng suất phản kháng tỷ lệ bình phương với
điện áp:
2
Q = I=
XC

U2
= ω CU 2
1/ω C

(1.6)

- Tụ điện có cấu tạo kém chắc chắn vì vậy dễ bị phá hỏng khi xảy ra ngắn
mạch
- Khi điện áp tăng quá 1,1U n thì tụ điện dễ bị chọc thủng.
- Khi đóng tụ điện vào mạng có dịng điện xung, cịn khi cắt tụ khỏi mạng, nếu
khơng có thiết bị phóng điện thì sẽ có điện áp dư trên tụ.
- Bù bằng tụ điện sẽ khó khăn trong việc tự động điều chỉnh dung lương bù
một cách liên tục.


16

- Tụ điện tĩnh được chế tạo dễ dàng ở cấp điện áp 6 - 10 kV và 0,4 kV. Thơng
thường nếu dung lượng bù nhỏ hơn 5 MVAr thì người ta dùng tụ điện, còn nếu lớn
hơn phải so sánh với máy bù đồng bộ.
1.2.2.3. Ưu nhược điểm của các nguồn phát cơng suất phản kháng
• Ưu điểm của tụ điện so với máy bù đồng bộ
- Chi phí cho một kVAr của tụ điện rẻ hơn so với máy bù đồng bộ. Ưu điểm
này càng nổi bật khi dung lượng càng tăng.
- Giá tiền của mỗi kVA tụ điện tĩnh ít phụ thuộc vào cơng suất đặt và có thể
coi như khơng đổi, vì vậy rất thuận tiện cho việc phân chia tụ điện tĩnh ra làm nhiều
tổ nhỏ, tùy ý lắp đặt vào nơi cần thiết. Trái lại giá tiền mỗi kVA máy bù đồng bộ lại
thay đổi tùy theo dung lượng, dung lượng máy càng nhỏ thì giá tiền càng đắt.
- Tổn thất cơng suất tác dụng trong tụ điện rất bé, khoảng (0,3 – 0,5)% cơng
suất của chúng, trong khi đó tổn thất trong máy bù đồng bộ lớn hơn hàng chục lần,
vào khoảng (1,33 -3,2)% công suất định mức.
- Tụ điện vận hành đơn giản, độ tin cậy cao hơn máy bù đồng bộ. Trái lại máy
bù đồng bộ với những bộ phận quay, chổi than... dễ gây ra mài mòn, sự cố trong lúc
vận hành. Trong lúc vận hành, một tụ điện nào đó có thể bị hư hỏng thì tồn bộ số
tụ điện cịn lại vẫn tham gia vào vận hành bình thường. Song nếu trong nhà máy chỉ
có một máy bù đồng bộ mà bị hư hỏng thì sẽ mất tồn bộ dung lượng bù, ảnh hưởng
tiêu cực khi đó sẽ rất lớn.
- Tụ điện lắp đặt, bảo dưỡng định kỳ rất đơn giản. Có thể phân ra nhiều cụm
để lắp rải trên lưới phân phối, hiệu quả là cải thiện đường cong phân bố điện áp tốt
hơn. Tụ điện không cần công nhân trông coi vận hành như máy bù đồng bộ.
- Tụ điện điện áp thấp cịn có ưu điểm là nó được đặt sâu trong các mạng điện
hạ áp xí nghiệp, gần ngay các động cơ điện, nên làm giảm được ∆P và ∆A rất nhiều.
• Nhược điểm của tụ điện so với máy bù đồng bộ
- Máy bù đồng bộ có thể điều chỉnh trơn tương đối dễ dàng, còn tụ điện
thường chỉ được điều chỉnh theo từng cấp.

17

- Máy bù đồng bộ có thể phát ra hay tiêu thụ CSPK theo một cơ chế linh hoạt,
còn tụ điện chỉ có thể phát ra CSPK
Các nhược điểm của tụ điện ngày nay đã dần được khắc phục.
Với nhiều ưu điểm nổi trội so với máy bù đồng bộ, ngày nay trên lưới điện
phần lớn sử dụng tụ điện để bù CSPK.
Theo thống kê thì có gần 60% tụ điện được bù trên đường dây, 30% được bù
tại thanh cái trạm biến áp và khoảng 10% còn lại được bù ở hệ thống truyền tải.
1.3. Tình hình bù cơng suất phản kháng lưới điện
Qua khảo sát thực tế tại một số điện lực của các tỉnh, huyện: Thái Bình, Ninh
Bình, huyện Phú Xuyên ta thấy tại cuối các nhánh đường dây cấp 35kV,10kV, 6 kV
giá trị cosφ khơng cịn cao nữa. Các máy biến áp hạ áp 35kV, 10kV, 6 kV xuống
0,4 kV trong nhiều trường hợp vận hành non tải nên giá trị cosφ đầu ra đường dây
điện hạ thế bị tụt xuống. Và xa hơn nữa tại đầu vào của các hộ phụ tải điện áp hạ thế
0,4 kV giá trị cosφ khá thấp do chính các phụ tải điện (đồ điện) như quạt, điều hoà
nhiệt độ, đèn Neon, tủ lạnh,....có giá trị cos thấp, tiêu thụ nhiều công suất phản
kháng. Từ cuối các nhánh đường dây cấp 35kV,10kV, 6kV và tồn bộ phía hạ thế
do điện lực của các chi nhánh quản lý, họ chủ yếu quan tâm đến cung cấp điện liên
tục và thu tiền điện, ít quan tâm đến chất lượng điện áp
Hiện nay vấn đề bù công suất phản kháng trong mạng điện phân phối ở các địa
phương trong cả nước chưa được quan tâm một cách đúng mức. Chỉ một vài Điện
lực như Hà Nội, Hải Dương, Nam Định v.v… các lãnh đạo quan tâm tới vấn đề này
thì cơng việc bù cơng suất phản kháng có được thực thi tốt hơn, tuy chưa triệt để;
còn đại bộ phận các Điện lực tỉnh việc quan tâm đến vấn đề bù công suất phản
kháng là rất ít, hoặc có chăng thực thi một cách “cưỡng chế” do theo yêu cầu hoặc
theo nghị định của Tập đoàn Điện lực Việt Nam [3, 6]. Việc lắp đặt thiết bị bù
thường chỉ là giải pháp tình thế, khơng có sự tính tốn hợp lý vì vậy hiệu quả bù
chưa cao. Vị trí đặt thiết bị bù thường 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

18

của thiết bị, dẫn đến sự lãng phí. Vì vậy, ở một số nơi vào giờ thấp điểm có hiện
tượng dịng cơng suất phản kháng chạy ngược, làm tăng tổn thất và quá áp cục bộ.
1.4. Nhận xét và kết luận chương 1
CSPK là một phần không thể thiếu của máy biến áp, các thiết bị điện như máy
biến áp, động cơ điện, đèn huỳnh quang… Tuy nhiên, do truyền tải trên đường dây
lại gây ảnh hưởng đến hao tổn điện năng, hao tổn điện áp, làm tăng công suất truyền
tải dẫn đến tăng chi phí xây lắp…. Vì vậy phải có những biện pháp để giảm lượng
cơng suất này. Một trong nhưng biện pháp đơn giản và hiệu quả nhất đó là bù
CSPK, sau khi bù sẽ làm cải thiện được các nhược điểm trên.
Giải bài tồn bù cơng suất phản kháng là xác định: số lượng trạm bù, vị trí đặt
trên lưới điện phân phối, cơng suất bù ở mỗi trạm và chế độ làm việc của tụ sao cho
đạt hiệu quả kinh tế cao nhất.
Có hai cách đặt bù:
Cách 1: Bù tập trung ở một số điểm trên trục chính trung áp.
Cách 2: Bù phân tán ở các trạm phân phối hạ áp
Bù theo cách 1 công suất bù có thể lớn, dễ thực hiện việc điều khiển, giá thành
đơn vị bù rẻ, việc quản lý và vận hành dễ dàng.
Bù theo cách 2 giảm được tổn thất cơng suất và tổn thất điện năng nhiều hơn
vì bù sâu hơn. Nhưng bù quá gần phụ tải nên nguy cơ cộng hưởng và tụ kích thích ở
phụ tải cao, để giảm nguy cơ này phải hạn chế công suất bù sao cho ở chế độ min
công suất bù không lớn hơn yêu cầu của phụ tải. Nếu bù nhiều hơn thì phải cắt một
phần bù ở chế độ min. Để có thể thực hiện hiệu quả phải có hệ thống điều khiển tự
động hoặc điều khiển từ xa, việc này làm tăng thêm chi phí cho các trạm bù.


19

CHƯƠNG 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN BÙ
CƠNG SUẤT PHẢN KHÁNG
Để giải bài toán bù CSPK trong lưới điện, hiện nay đã có hàng loạt phương
pháp được đề cập. Tuy nhiên do cách đặt vấn đề, mục tiêu đặt ra và các quan điểm
khác nhau về các yếu tố ảnh hưởng đến lời giải bài toán như sự biến thiên theo thời
gian của phụ tải, về kết cấu hình dáng lưới điện, về điện áp lưới điện, về tính chất
các loại thiết bị bù…nên các phương pháp và thuật toán giải bài tốn bù CSPK
trong lưới điện đều có dạng và hiệu quả khác nhau. Sau đây trình bày một số
phương pháp tính tốn và nêu một số cách giải bài toán bù CSPK cho lưới phân
phối. [1, 2, 6, 11]
2.1. Xác định dung lượng và vị trí bù cơng suất phản kháng
2.1.1. Xác định dung lượng bù CSPK để nâng cao hệ số công suất cosφ
Giả sử hộ tiêu thụ điện có hệ số cơng suất là cos ϕ1 , muốn nâng hệ số công
suất này lên cos ϕ 2 (cos ϕ 2 > cos ϕ1 ), thì phải đặt dung lượng bù là bao nhiêu?
Với dạng bài toán này thì dung lượng bù được xác định theo cơng thức sau:
Q bu = P(tg ϕ1 - tg ϕ 2 ) α

kVAr

(2.1)

Trong đó: P – phụ tải tính tốn của hộ tiêu thụ điện, kW;

α = 0,9 ÷ 1 – hệ số xét tới khả năng nâng cao cosφ bằng những phương pháp
khơng địi hỏi đặt thiết bị bù.
Hệ số cơng suất cos ϕ 2 nói ở trên thường lấy bằng hệ số công suất do cơ quan
quản lý hệ thống điện quy định cho mỗi hộ tiêu thụ phải đạt được, thường nằm
trong khoảng cos ϕ = 0,8 – 0,95.

20

2.1.2. Tính bù CSPK theo điều kiện cực tiểu tổn thất công suất
2.1.2.1 Phân phối dung lượng bù trong mạng hình tia
Bài tốn đặt ra là trong một mạng hình tia có n nhánh, tổng dung lượng bù là
Q bu , hãy phân phối dung lượng bù trên các nhánh sao cho tổn thất CSTD do CSPK
gây ra là nhỏ nhất để hiệu quả bù đạt được lớn nhất.
Giả sử dung lượng bù được phân phối trên các nhánh là Q bu1 , Q bu 2 …Q bu n .
Phụ tải phản kháng và điện trở của các nhánh lần lượt là Q 1 , Q 2 …Q n và r 1 , r 2 …r n
(hình 2.1)
Q
Qbu

r1

r2

rn

Q1

Q2

Qn

Qbu 1

Qbu 2

Qbu n

Hình 2.1. Phân phối dung lượng bù trong mạng hình tia
Tổn thất công suất tác dụng do CSPK gây ra được tính theo biểu thức sau:
ΔP =

( Q1 - Qbu 1 )
U2

2

r1 +

( Q2 - Qbu 2 )
U2

2

r2

(Q - Q )
+ . . . + n bu n

2

U2

= f(Q bu 1 ,Q bu 2 ,…,Q bu n )

rn

(2.2)

Với điều kiện ràng buộc về cân bằng công suất bù là
φ(Q bu 1 , Q bu 2 …Q bu n ) = Q bu 1 + Q bu 2 +…+ Q bu n - Q bu = 0

(2.3)

Để tìm cực tiểu của hàm ∆P = f(Q bu 1 ,Q bu 2 ,…,Q bu n ) chúng ta có thể dùng
phương pháp nhân tử Lagrangie.
Chọn nhân tử λ bằng λ =

2L
U2


21

Trong đó L – là hằng số sẽ được xác định sau.
Theo phương pháp nhân tử Lagrangie, điều kiện để ∆P có cực tiểu là các đạo
hàm riêng của hàm: F = f(Q bu 1 ,Q bu 2 ,…,Q bu n ) + λϕ (Q bu1 , Q bu 2 …Q bu n đều triệt tiêu.
Do đó, ta có hệ phương trình sau:
2(Q1 - Q bu 1 )
2L
 ∂F
r1 + 2 = 0
2
 Q =U
U

 bu 1
 ∂F
2(Q 2 - Q bu 2 )
2L
=r2 + 2 = 0

2
U
U
 Q bu 2
− − − − − − − − − − − − − − − − − −

2(Q n - Q bu n )
2L
 ∂F
=
rn + 2 = 0
2
Q
U
U
 bu n

(2.4)

Giải hệ phương trình (2.4) chúng ta có
1
1
1
+...+ 

L = [(Q 1 ,Q 2 ,…,Q n ) - (Q bù 1 ,Q bù 2 ,…,Q bù n )].  +
r2
rn 
 r1

Đặt

n

∑Q

i

-1

(2.5)

= Q – Tổng phụ tải phản kháng của mạng

i=1

n

∑Q

bu i

= Q bù – Tổng dung lượng bù của mạng

i=1

1
1
1
R td =  +
+...+ 
r2
rn 
 r1

-1

– Điện trở tương đương của những nhánh có đặt thiết

bị bù của mạng.
Vậy có thể viết:

L = (Q - Q bù )R td.

(2.6)

Thay L vào hệ phương trình (2.5), chúng ta tìm được dung lượng bù tối ưu của
các nhánh là:


22

(Q - Q bu )

R td

 Q bu 1 = Q1 r1


(Q - Q bu )
R td
Q bu 2 = Q 2 r2

-----------------
(Q - Q bu )

R td
Q bu n = Q n rn


(2.7)

Để thuận tiện trong vận hành và giảm bớt các thiết bị đóng cắt, đo lường cho
các nhóm tụ, người ta quy định rằng nếu dung lượng bù tối ưu của một nhánh nào
đó nhỏ hơn 30 kVAr thì khơng nên đặt tụ điện ở nhánh đó nữa mà nên phân phối
dung lượng bù đó sang các nhánh lân cận.
2.1.2.2. Phân phối dung lượng bù trong mạng phân nhánh
Một mạng phân nhánh như ở hình 2.2 có thể coi là do nhiều hình tia ghép lại.
Ví dụ 2: tại điểm 3 chúng ta có thể coi như có hai nhánh hình tia r 3 và r 4 ; tại điểm 2
ta coi như có hai nhánh hình tia, một nhánh r 2 và một nhánh nữa có điện trở tương
đương của phần phía sau.
Nếu quan niệm như vậy chúng ta có thể áp dụng cơng thức (2.7) để tính cho
trường hợp mạng phân nhánh.
Dung lượng bù của nhánh thứ n được tính theo cơng thức sau:

Q bu n = Q n Q

Qbù
Q01

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

Q12

1

Q23

2

r12

r01

Q34

3

r23

r1
Q1

(2.8)

rn

r34

r2
Q2

4

r4

r3
Q3

Q4

Hình 2.2. Phân phối dung lượng bù trong mạng phân nhánh.


23

Trong đó: Q n – phụ tải phản kháng của nhánh thứ n; Q (n-1)n – phụ tải phản
kháng chạy trên đoạn từ điểm (n-1) tới điểm n; Q bu dat n - dung lượng bù đặt tại điểm
n; R tdn - điện trở tương đương của mạng kể từ điểm n trở về sau.
2.2. Bù công suất phản kháng theo điều kiện điều chỉnh điện áp
2.2.1. Xác định dung lượng bù CSPK khi đặt thiết bị bù tại 1 trạm
Giả thiết có một đường dây cung cấp điện như hình 2.3, có phụ tải tính tốn là
S b tại điểm b. Giả thiết rằng với điện áp U A ở đầu đường dây, điện áp U b nhận được
ở cuối đường dây không thỏa mãn yêu cầu của phụ tải và cần thay đổi đến trị số yêu
cầu U b(yc) .
Vấn đề đặt ta là muốn điều chỉnh U b thành U b(yc) thì phải đặt máy bù đồng bộ
hay tụ điện tĩnh có dung lượng là bao nhiêu?

b
UA

R + jX
Sb = pb + j qb
S'b = pb + j( qb - Qbù)

Qbù
Qbù
Ub(yc)

Hình 2.3. Sơ đồ mạng điện dùng máy bù đồng bộ để điều chỉnh điện áp
Giả thiết CSPK cần phải bù tại b là Q bù thì phụ tải mạng sẽ là:
.

S'b = p b + j(q b - Q bu )

(2.9)

Ta có:
.

.

U A = U b(yc) + (∆u +j δ u) =

 p b X - (q b - Q bu )R 
p R + (q b - Q bu )X 
=  U b(yc) + b

 + j

U b(yc)
U b(yc)




2

2


 p b X - (q b - Q bu )R 
p b R + (q b - Q bu )X 
2
U
=
U
+
+


 (2.10)
Hay là: A  b(yc)
U b(yc)
U b(yc)







24

Khai triển biểu thức (2.10) ta có:
2
U 2A = U b(yc)
+ 2[p b R + (q b - Q bu )X] +
2

 p R + (q b - Q bu )X 
 p b X - (q b - Q bu )R 
+  b
 + 

U b(yc)
U b(yc)





2

 R 2 +X 2 
U - U + 2p b R + 2q b X + Q  2
 U b(yc) 




R 2 + X 2 q b   R 2 + X 2 q 2b + p 2b
+
- 2 Q bu  X +

 
U 2b(yc)
U 2b(yc)

 
2
b(yc)

2
A

2
bu

(

 Z2
Q  2
 U b(yc)

2
bu

Ta đặt:

)

(

)(
(

  Z2 q 2b + p 2b
 + 
2
U b(yc)
 
+ 2(p b R + q b X) + U 2b(yc) - U A2 = 0



Z2 q b
 - 2 Q bu  X + 2
U b(yc)



Z2
A= 2 ;
U b(yc)

)  = 0



)  +




Z2 q b 
B = 2 X + 2 

U b(yc) 


Z2 (q 2b + p 2b )
2
C=
+ 2(p b R + q b X) + U b(yc)
- U A2
2
U b(yc)
B − B 2 − 4 AC
Ta sẽ có: Q bu =
2A

(2.11)

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

U A = U b(yc) +
Vậy công suất cần phải bù là:

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

(2.12)