Đánh giá hiệu quả bù kinh tế trong lưới điện phân phối xét đến khả năng điều chỉnh dung lượng bù ứng dụng tính toán cho lưới điện chi nhánh điện gia bình bắc ninh

....

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

PHAN VĂN THẠCH

ðÁNH GIÁ HIỆU QUẢ BÙ KINH TẾ TRONG LƯỚI ðIỆN PHÂN
PHỐI XÉT ðẾN KHẢ NĂNG ðIỀU CHỈNH DUNG LƯỢNG BÙ, ỨNG
DỤNG TÍNH TỐN CHO LƯỚI ðIỆN CHI NHÁNH ðIỆN
GIA BÌNH - BẮC NINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chun ngành : ðiện khí hóa sản xuất nơng nghiệp và nông thôn
Mã số

: 60.52.54

Người hướng dẫn khoa học: GS. TS LÃ VĂN ÚT

HÀ NỘI - 2012


LỜI CAM ðOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được ai cơng bố.
Hà Nội, tháng 10 năm 2012
Tác giả luận văn
Phan Văn Thạch

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

i


LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian thực hiện luận văn, ñến nay ñề tài “ðánh giá hiệu
quả bù kinh tế trong lưới ñiện phân phối xét ñến khả năng ñiều chỉnh
dung lượng bù, ứng dụng tính tốn cho lưới điện chi nhánh Gia Bình Bắc Ninh” đã được hồn thành. Trong thời gian thực hiện đề tài, Tơi đã nhận
được rất nhiều sự giúp ñỡ quý báu của các cá nhân, tập thể trong và ngồi
trường.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc ñến thầy giáo hướng dẫn GS.Ts. Lã Văn
Út về sự quan tâm, giúp đỡ tơi rất tận tình trong phương pháp và các nội dung
của luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới cán bộ và các thầy, cô giáo Trường TCN
KT-KT Bắc Ninh; Các giảng viên bộ mơn Cung cấp và Sử dụng điện Khoa
Cơ ðiện – Trường ðại học Nông Nghiệp – Hà Nội; Các cán bộ chi nhánh
điện lực Gia Bình - Bắc Ninh, ñã giúp ñỡ và tạo ñiều kiện thuận lợi cho tơi
trong q trình học tập, cơng tác, nghiên cứu và hồn thành luận văn.
Cuối cùng tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tới gia đình, bạn bè đã động viên và
giúp đỡ tơi trong suốt q trình học tập, nghiên cứu và hồn thành luận văn.
Tơi xin chân thành cảm ơn!
Tác giả

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

ii


MỤC LỤC

LỜI CAM ðOAN ..................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN ...........................................................................................II
MỤC LỤC ................................................................................................ III
DANH MỤC BẢNG BIỂU...................................................................... VII
DANH MỤC HÌNH VẼ...........................................................................VIII
DANH MỤC CÁC CHỮ ViÕt TẮT VÀ KÝ HIỆU ...............................X
MỞ ðẦU.................................................................................................... 1
1. Mục đích nghiên cứu và lý do chọn đề tài................................. 1
2. ðối tượng nghiên cứu và phạm vi áp dụng ............................... 1
3. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của ñề tài........................... 1
NỘI DUNG ðỀ TÀI.................................................................................. 3

Chương 1: BÙ KINH TẾ TRONG LƯỚI ðIỆN PHÂN PHỐI VÀ VẤN
ðỀ ÁP DỤNG KỸ THUẬT ðiÒu KHIỂN DUNG LƯỢNG BÙ KHI
PHỤ TẢI BIẾN THIÊN............................................................................ 3

1.1 Tổn thất ñiện năng trong hệ thống ñiện và vấn ñề giảm tổn
thất khi vận hành .......................................................................... 3
1.1.1 Các nguyên nhân gây ra tổn thất trong hệ thống cung cấp ñiện
.................................................................................................................... 3
1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng ñến tổn thất và khả năng giảm thiểu tổn
thất.............................................................................................................. 5
1.1.3 Vấn ñề áp dụng các biện pháp giảm thiểu tổn thất trong ñiều
kiện vận hành............................................................................................. 7

1.2 Hiệu quả giảm tổn thất bằng biện pháp bù công suất phản
kháng .............................................................................................. 8
1.2.1 Khái niệm về công suất phản kháng ....................................... 8
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

iii


1.2.2 Hệ số cơng suất và khả năng điều chỉnh................................ 10
1.2.3 Hiệu quả giảm tổn thất bằng biện pháp bù công suất phản
kháng ....................................................................................................... 11

1.3 Các phương tiện bù công suất phản kháng ......................... 12
1.3.1 Mục tiêu và lợi ích bù công suất phản kháng ......................... 12
1.3.2 Các phương tiện bù công suất phản kháng.............................. 13

1.4 Tổng quan về mô hình và phương pháp bù kinh tế trong
lưới điện phân phối ...................................................................... 17
1.4.1 Bài toán bù kinh tế với hàm mục tiêu tối ưu hàm lợi nhuận .. 17
1.4.2 Bài toán bù kinh tế với hàm mục tiêu cực tiểu hàm chi phí tính
tốn............................................................................................................ 20
1.4.3 Bài tốn bù kinh tế theo thời gian thu hồi vốn ñịnh mức ....... 21

1.5 ðiều khiển dung lượng bù theo thời gian thực.................... 22
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ......................................................................... 23

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN LỰA CHỌN VỊ TRÍ
VÀ DUNG LƯỢNG BÙ TỐI ƯU ............................................... 24
2.1 ðặt vấn đề................................................................................ 24
2.2 Suất giảm chi phí tổn thất của thiết bị bù trong lưới phân
phối ................................................................................................ 25
2.3 Bù tối ưu công suất phản kháng trong lưới phân phối....... 30
2.3.1. ðánh giá hiệu quả bù tại các nút của lưới ñiện phân phối... 30
2.3.2. Xác ñịnh dung lượng bù tại các nút, ñảm bảo thời gian thu hồi
vốn ñầu tư xấp xỉ thời hạn Tth ñm ............................................................. 31

2.3.3. Xác ñịnh dung lượng bù tối ưu cho một số ít nút đã chọn.... 36
2.3.4 Ưu điểm của thuật tốn ñề xuất ............................................. 37

2.4 ðiều khiển tối ưu dung lượng bù theo dịng phụ tải........... 37
Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

iv


2.5 Giới thiệu một số chương trình tính tốn chế độ xác lập, có
thể kết hợp tính tốn lựa chọn vị trí và dung lường bù............ 42
2.5.1 Phần mềm CONUS ................................................................ 42
2.5.2 Phần mềm PSS/E................................................................... 43
2.5.3 Phần mềm PSS/ADEPT......................................................... 44
2.5.4 Phần mềm POWER WORLD ................................................ 45
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ......................................................................... 46

Chương 3: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ðIỆN PHÂN PHỐI CHI
NHÁNH ðIỆN GIA BÌNH VÀ XÁC ðỊNH VỊ TRÍ VÀ DUNG
LƯỢNG BÙ TỐI ƯU .................................................................. 48
3.1 ðặc ñiểm tự nhiên, kinh tế- xã hội..................................................... 48
3.1.1 ðặc ñiêm tự nhiên................................................................... 48
3.1.2 ðặc ñiểm kinh tế- xã hội.......................................................... 48
3.2 ðặc ñiểm lưới ñiện phân phối và sự tiêu thụ công suất phản kháng .
................................................................................................................... 49
3.2.1 Vai trị của lưới điện phân phối.............................................. 49
3.2.2 Sự tiêu thụ và các nguồn phát công suất phản kháng ............ 50
3.3 Hiện trạng nguồn và lưới ñiện chi nhánh điện Gia Bình.................. 52
3.3.1 Lưới điện trung áp .................................................................. 52
3.3.2 Lưới điện hạ áp........................................................................ 52

3.4 Tính tốn tổn thất và lựa chọn dung lượng, vị trí bù cho lưới
điện Gia Bình ................................................................................ 54
3.4.1 Nhập số liệu........................................................................... 54
3.4.2 Kết quả tính tốn chế độ xác lập ban đầu ............................. 58
3.4.3 ðánh giá hiệu quả bù thông qua suất giảm chi phí tổn thất...
................................................................................................................... 64
Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

v


3.4.4 Xác ñịnh dung lượng bù tối ưu cho lưới................................ 67
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ......................................................................... 69
KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ ................................................. 70

IV. Tài liệu tham khảo ................................................................. 71

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

vi


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng số

Tên bảng

Trang

Bảng 3.1

Số liệu phụ tải

54

Bảng 3.2

Số liệu nhánh

55

Bảng 3.3

Số liệu máy biến áp

56

Bảng 3.4

ðiện áp các nút trung áp khi thanh cái lưới trung áp

58

ñặt là 10kV
Bảng 3.5

ðiện áp các nút hạ áp khi thanh cái trạm đầu nguồn

62

10 kV

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

vii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình số

Tên hình

Trang

Hình 1-1

Mạch điện RL đơn giản

8

Hình 1-2

Tam giác tổng trở

8

Hình 1-3

Tam giác cơng suất

9

Hình 1-4

Giản đồ vectơ dịng điện

10

Hình 1-5

ðường dây truyền tải

13

Hình 2-1

Sơ đồ lưới điện đơn giản

25

Hình 2-2

Quan hệ HMT

27

Hình 2-3

Lưới hình tia phức tạp

27

Hình 2-4

Hàm lợi ích và dung lượng bù kinh tế

33

Sơ đồ thuật tốn xác định dung lượng bù tại các nút theo
Hình 2-5

thời gian thu hồi vốn đầu tư nhỏ hơn thời gian thu hồi

35

vốn cho trước
Hình 2-6

Sơ đồ lưới điện đơn giản

37

Hình 2-7

Vị trí thay đổi nấc bù tối ưu

38

Hình 2-8

Lưới hình tia phức tạp

39

Hình 2-9

ðiều khiển dung lượng bù theo biểu đồ

42

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

viii


Hình 3-1

Sơ đồ lưới điện lộ 971

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

53

ix


DANH MỤC CÁC CHỮ ViÕt T¾t VÀ KÝ HIỆU

LðPP

Lưới điện phân phối

TBB

Thiết bị bù

CSPK

Công suất phản kháng

HTCCð

Hệ thống cung cấp ñiện

HTð

Hệ thống ñiện

LðTT

Lưới ñiện truyền tải

HMT

Hàm mục tiêu

MBA

Máy biến áp

ðKPTBS

ðiều khiển phụ tải bằng sóng

LPP

Lưới phân phối

CðXL

Chế độ xác lập

ðDSCA

ðường dây siêu cao áp

ðHBK

ðại học bách khoa

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

x


MỞ ðẦU
1. MỤC ðÍCH NGHIÊN CỨU VÀ LÝ DO CHỌN ðỀ TÀI
Lưới điện phân phối (LðPP) có tỉ lệ tổn thất khá cao so với lưới
truyền tải, phân bố rộng khắp các khu vực lãnh thổ. Việc lắp ñặt thiết bị bù

(TBB) làm giảm tổn thất trong LðPP thường ñem lại hiệu quả kinh tế cao,
đồng thời cịn cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật. Tuy nhiên, hiệu quả chỉ có thể có
được khi chọn đúng vị trí đặt và dung lượng bù. Ngoài ra, do phụ tải thường
xuyên thay ñổi theo biểu ñồ nên việc lựa chọn các phương tiện bù có khả
năng điều chỉnh cũng nâng cao thêm hiệu quả. ðề tài nghiên cứu phương
pháp tính tốn, xác ñịnh các chỉ tiêu cho phép ñánh giá hiệu quả nếu lắp đặt
thiết bị bù vào các vị trí khác nhau trong LðPP. Nghiên cứu thuật tốn điều
khiển dung lượng bù (nếu TBB có khả năng) để nâng cao hiệu quả khi phụ tải
thay ñổi.
2. ðỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG
2.1. ðối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu LðPP có sơ đồ phức tạp bất kỳ (hình tia, lưới kín vận hành
hở).
2.2. Phạm vi áp dụng
Kết quả nghiên cứu nhằm áp dụng vào thực tế các LðPP của Việt Nam.
2.3. Áp dụng cụ thể
Tính tốn với lưới điện thuộc chi nhánh điện lực Gia Bình.
3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ðỀ TÀI
3.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài
- Hệ thống hóa lý thuyết bù CSPK, nghiên cứu phương pháp lựa chọn
vị trí và dung lượng bù kinh tế trong LðPP.
- Nghiên cứu, khai thác phần mềm Conus để tính tốn tổn thất và xác
định dung lượng bù tối ưu.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

1


- Nghiên cứu ứng dụng ñiều khiển dung lượng bù bằng sóng
3.2. Tính thực tiễn của đề tài

Các kết quả nghiên cứu trong đề tài có tính ứng dụng cao ñối với việc
lựa chọn ñúng vị trí lắp ñặt, xác ñịnh và ñiều khiển dung lượng bù tối ưu bằng
sóng VIBA cho LðPP điện áp Việt Nam nói chung và LðPP chi nhánh điện
Gia Bình - Bắc Ninh nói riêng.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

2


NỘI DUNG ðỀ TÀI
Chương 1
BÙ KINH TẾ TRONG LƯỚI ðIỆN PHÂN PHỐI VÀ VẤN ðỀ
ÁP DỤNG KỸ THUẬT ðIỀU KHIỂN DUNG LƯỢNG BÙ KHI
PHỤ TẢI BIẾN THIÊN
1.1 Tổn thất ñiện năng trong hệ thống ñiện và vấn ñề giảm tổn
thất khi vận hành
1.1.1 Các nguyên nhân gây ra tổn thất trong hệ thống cung cấp ñiện
Tổn thất ñiện năng trong hệ thống điện ln ln tồn tại do nhiều
ngun nhân khác nhau: mất mát năng lượng do hiệu ứng Joule, tổn thất từ trễ
và dòng Foucault trong lõi từ của máy ñiện, tổn thất vầng quang trên các
ñường dây truyền tải ñiện, tổn thất do sai số trong hệ thống ño ñếm, tổn thất
do gian lận sử dụng v.v… Những ngun nhân này có thể được chia thành 2
nhóm: tổn thất kỹ thuật và tổn thất phi kỹ thuật.
a.Tổn thất kỹ thuật
Tổn thất kỹ thuật là tổn thất tồn tại do bản chất vật lý của các phần tử
trong hệ thống điện. Nó phản ảnh hiệu suất của hệ thống trong q trình sản
xuất, truyền tải và phân phối điện năng tới nơi tiêu thụ. Các thành phần chính
của tổn thất kỹ thuật bao gồm
- Tổn thất trên ñiện trở của mọi phần tử có dịng điện chạy qua

Tổn thất trên điện trở của phần tử tỉ lệ với bình phương của dịng điện
chạy qua phần tử đó theo biểu thức P = I 2 .R . Tuy nhiên cũng cần phải xét
ñến mối quan hệ giữa nhiệt ñộ và điện trở của phần tử bởi vì khi dịng điện
tăng lên thì nhiệt độ của thiết bị cũng tăng.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

3


- Các tổn thất không tải do phần tử mang ñiện áp
Tổn thất không tải xuất hiện trong các phần tử có chứa mạch từ như
máy biến áp, động cơ, ñiện kháng, nam châm ñiện, các thiết bị bù. Dạng tổn
thất này thường tỷ lệ xấp xỉ với bình phương của ñiện áp và bao gồm các
thành phần như tổn thất do hiện tượng từ trễ, tổn thất do dòng ñiện foucault
và tổn thất do hỗ cảm giữa các phần tử.
- Tổn thất vầng quang
Tổn thất vầng quang xuất hiện trên các ñường dây truyền tải ñiện do
mất mát năng lượng vào việc ion hóa khơng khí xung quanh đường dây.
Tổn thất kỹ thuật có thể được phân loại theo cấp ñiện áp.
- Tổn thất ở lưới truyền tải:
+ Tổn thất trên các ñường dây truyền tải (500kV, 220kV, 110kV)
+ Tổn thất qua máy biến áp truyền tải
- Tổn thất ở lưới phân phối:
+ Tổn thất ở các phía cao áp lưới phân phối (35kV, 22kV, 10kV, 6kV)
+ Tổn thất qua máy biến áp phân phối
+ Tổn thất ở lưới hạ áp (0,4kV)
b. Tổn thất phi kỹ thuật
Là tổn thất do sự chênh lệch giữa lượng ñiện năng sử dụng và lượng
điện năng được tính tiền. Sự chênh lệch này là do sai số của thiết bị đo đếm
như cơng tơ, máy biến dịng, do những phụ tải khơng được tính tiền hoặc do

trộm cắp, gian lận thương mại. Tổn thất phi kỹ thuật phản ánh hiệu quả quản

lý ñiện năng từ khâu sản xuất, truyền tải và phân phối tới khách hàng. Tổn
thất phi kỹ thuật bao gồm các thành phần chính:
- Tổn thất do sai số của thiết bị ño ñếm
Các thiết bị ño ñếm bao gồm các máy biến dịng điện, máy biến điện
áp, wattmet, cơng tơ, các thiết bị hiển thị cơ và số. Tổn thất điện năng có thể
Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

4


xuất hiện do sai số cũng như hỏng hóc của các thiết bị này. Lượng tổn thất
này có thể khá lớn vì số lượng các thiết bị đo đếm được sử dụng trong HTð là
rất nhiều.
- Tổn thất do lỗi trong việc tính tốn hóa đơn điện năng tiêu thụ
- Tổn thất do gian lận, ăn trộm ñiện của người sử dụng
Bên cạnh các nguyên nhân gây ra tổn thất, cũng phải xét ñến cả các yếu
tố ảnh hưởng ñến tổn thất. Các yếu tố này không trực tiếp gây nên tổn thất
nhưng lại ảnh hưởng nhiều ñến trị số của tổn thất.

1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng ñến tổn thất và khả năng giảm thiểu tổn thất
a. ðiện áp làm việc của trang thiết bị
Làm việc với ñiện áp càng cao, dịng điện càng bé, vì thế chọn cấp ñiện
áp khi thiết kế (ñường dây, máy biến áp) và ñiều chỉnh ñiện áp lúc vận hành
ñều có ảnh hưởng mạnh đến trị số tổn thất cơng suất và điện năng.
- Nâng cấp ñiện áp ñịnh mức của lưới ñiện.
Là biện pháp giảm tổn thất rất ñáng kể bởi trị số tổn thất tỉ lệ nghịch
với bình phương của điện áp ñịnh mức:
P2 + Q2

R
∆P = 3RI =
U2
2

(1.1)

Tuy nhiên nâng cấp ñiện áp lại liên quan với việc cần tăng vốn ñầu tư cho
cách ñiện và kết cấu lưới, cần so sánh lựa chọn theo chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật.
- ðiều chỉnh ñiện áp tại máy biến áp
Các máy biến áp trong HTð hầu hết đều có khả năng ñiều chỉnh ñiện áp
bằng cách thay ñổi ñầu phân áp. Việc thay ñổi ñầu phân áp cho phép lựa chọn
ñiện áp làm việc tối ưu cho ñường dây tải ñiện (ở mức cao giới hạn trong mọi
chế ñộ tải) nhờ đó giảm được tổn thất. Ngồi ra, thay đổi đầu phân áp cịn làm
thay đổi sự phân bố cơng suất phản kháng trong lưới, nếu có phương pháp

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

5


ñiều khiển tối ưu cũng có thể giảm ñược trị số tổn thất xuống đến mức thấp
nhất.
b. Truyền tải cơng suất phản kháng
Cân bằng công suất phản kháng nút là ñiều kiện cần ñể ñảm bảo chất
lượng ñiện năng. Mất cân bằng cơng suất phản kháng điện áp nút sẽ thay đổi.
Trong HTð ln ln tồn tại q trình truyền tải công suất phản kháng (kèm
theo với công suất tác dụng), dịng điện tăng lên, làm tăng cao trị số tổn thất
công suất tác dụng (công thức 1.1). Giảm công suất phản kháng truyền tải là
biện pháp chủ yếu khi áp dụng các biện pháp giảm thiểu tổn thất.

- Ảnh hưởng của các thiết bị bù
Các thiết bị bù công suất phản kháng thường ñược ñặt ở phụ tải. Các
thiết bị này có tác dụng phát cơng suất phản kháng vào đường dây, giảm
lượng cơng suất phản kháng chạy trên ñường dây nhằm cải thiện ñiện áp làm
việc của phụ tải, tăng hệ số công suất và giảm tổn thất trên ñường dây.
- ðiện dung tự nhiên của ñường dây
ðiện dung tự nhiên của đường dây có tác dụng giống như các thiết bị
bù, phát công suất phản kháng vào lưới, làm giảm được dịng cơng suất phản
kháng chạy trên lưới dẫn tới giảm tổn thất trên đường dây.
Cơng suất phản kháng do ñiện dung tự nhiên của ñường dây sinh ra:

Q = BU 2

(1.2)

Trong đó:
B: điện dẫn phản kháng của ñường dây ( B = ωC )
U: ñiện áp làm việc của đường dây
Có thể nhận thấy rằng, lượng cơng suất phản kháng của đường dây sinh
ra tỉ lệ với bình phương điện áp làm việc. Do vậy, ở những cấp điện áp cao và
siêu cao (220; 500kV) thì lượng cơng suất do đường dây sinh ra này là rất lớn,
trong chế độ non tải hoặc khơng tải thì ñiện áp cuối ñường dây có thể tăng
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

6


q trị số cho phép, vì vậy đối với các cấp điện áp trên thì người ta thường đặt
kháng bù trên ñường dây ñể giữ ñiện áp tại các nút nằm trong phạm vi cho
phép. ðể tận dụng công suất này người ta thường bù khơng hồn tồn cơng

suất điện dung tự nhiên của đường dây. Khi đó đường dây đóng vài trị nguồn
bù cơng suất phản kháng cho hệ thống.

1.1.3 Vấn ñề áp dụng các biện pháp giảm thiểu tổn thất trong ñiều kiện vận
hành
Khi lưới ñiện ñã ñược vận hành, do những ñiều kiện khác nhau về vốn
ñầu tư khi xây dựng, về lịch sử phát triển và hình thành lưới, quá trình tăng
trưởng phụ tải ... tỉ lệ tổn thất rất khác nhau. Ngoài biện pháp cải tạo nâng cấp
tiết diện ñường dây, máy biến áp, trang thiết bị (mà thường rất bị hạn chế) các
biện pháp phụ thêm ñể giảm tổn thất khi vận hành thường ñem lại hiệu quả
ñáng kể. Các biện pháp có thể kể ñến như:
- Lắp ñặt thiết bị bù và ñiều khiển thiết bị bù (nếu có điều kiện);
- Trang bị các bộ ñiều áp dưới tải và thiết bị tự ñộng ñiều áp dưới tải;
- Tạo các mạch vòng cung cấp dạng lưới kín vận hành ở và điều kiển ñiểm cắt
...
Biện pháp phổ biến và hiệu quả cao phải kể đến là bù kinh tế. Thực
chất đó là các lắp ñặt thiết bị bù tối ưu theo chỉ tiêu theo hiệu quả kinh tế. Khi
lắp ñặt thiết bị bù vào những vị trí hợp lí, chi phí cho tổn thất ñiện năng hàng
năm giảm ñược nhiều trong khi vốn ñầu tư không lớn. Nếu 2 ñến 3 năm vốn
ñầu tư đã được thu hồi thì việc đặt thiết bị bù được coi là có hiệu quả. Trong
trường hợp này việc lựa chọn vị trí và dung lượng bù tỏ ra quan trọng.
Bên cạnh việc ñặt các tụ bù cố ñịnh các biện pháp bù có ñiều kiển ñang
ñược quan tâm nhiều. Vấn đề là ở chỗ bù có điều kiển có hiệu quả cao trong
khi kĩ thuật điều khiển ngày càng phát triển.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

7

Luận văn đi sâu tìm hiểu về biện áp bù tối ưu cơng suất phản kháng
trong LðPP. Khả năng điều khiển on-line dung lượng bù nhằm ñạt hiệu quả
cao trong vận hành theo mục tiêu giảm tổn thất ñiện năng cho lưới.

1.2 Hiệu quả giảm tổn thất bằng biện pháp bù công suất phản
kháng
1.2.1 Khái niệm về công suất phản kháng
Một mạch điện có tải là điện trở R và ñiện kháng X ñược cung cấp bởi
ñiện áp: u = Umsinωt như hình vẽ 1-1:

Z
ϕ

Hình 1-1 Mạch điện RL đơn giản

X
R

Hình 1-2: Tam giác tổng trở

Dịng điện i lệch pha với điện áp u một góc ϕ
i = Imsin(ωt - ϕ) ⇔ i = Im(sinωt cosϕ - sinϕ cosωt)
ðặt i = i’ + i’’ ⇒ i’ = Im cosϕ sinωt
i’’ = Im sinϕ cosωt = - Im sinϕ sin(ωt -

π
2

)

Như vậy dịng điện i là tổng của hai thành phần i’có biên độ là Im cosϕ và
cùng pha với điện áp u và thành phần i’’ có biên độ là Im sinϕ và chậm pha so
với điện áp một góc

π
2

Từ hai thành phần i’ và i’’ ta tính cơng suất tương ứng là:
P = UIcosϕ gọi là công suất tác dụng
Q = UIsinϕ gọi là công suất phản kháng
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

8


Theo tam giác tổng trở hình 1-2 ta có thể viết công thức công suất như
sau:
P = UIcosϕ = (Z.I)( I.cosϕ) = Z.I2. R Z = RI2
và

Q = UIsinϕ = (Z.I)( I.sinϕ) = Z.I2. X Z = XI2

Vậy công suất phản kháng của một nhánh bất kỳ nói lên cường độ của q
trình dao động năng lượng của nhánh đó.
S = P + Q gọi là công suất biểu kiến
Ta có thể biểu diễn mối quan hệ giữa S, P và Q như ( hình 1-3) sau:
U.Icosϕ P

U

ϕ

U.Isinϕ

S

Q

Hình 1-3: Tam giác cơng suất
Các thành phần mang điện kháng hay điện dung trong mạng điện sẽ sử
dụng cơng suất phản kháng.
Cơng suất phản kháng được tiêu thụ ở động cơ khơng ñồng bộ, máy
biến áp, trên ñường dây ñiện và mọi nơi có từ trường. u cầu cơng suất phản
kháng chỉ có thể giảm đến tối thiểu chứ khơng thể triệt tiêu được vì nó cần
thiết để tạo ra từ trường, yếu tố trung gian cần thiết trong q trình chuyển
hố ñiện năng. Theo [2, tập 1, tr 283] yêu cầu cơng suất phản kháng được chia
như sau:
- ðộng cơ khơng ñồng bộ tiêu thụ khoảng 70-80%
- Máy biến áp tiêu thụ 15-25%
- ðường dây ñiện và các phụ tải khác 5%

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

9


1.2.2 Hệ số cơng suất và khả năng điều chỉnh
+ Hệ số cơng suất: Xét một phụ tải có tổng trở Z = R + jX ñược cung cấp
bởi ñiện áp U. Dịng điện chạy trên tải đó sẽ là I =

U
1
1
U U
=
=U( +
)= +
Z
R jX
R jX

U(G + jB) = IR + jIX. Dịng điện gồm hai thành phần: Thành phần tác dụng và
thành phần phản kháng.
- Thành phần tác dụng IR cùng pha với ñiện áp
- Thành phần phản kháng IX trễ pha với điện áp là

Π
2

- Góc giữa U và I là φ như hình vẽ 1-4
U

IR
φ

IX

I

Hình 1-4: Giản đồ vectơ dịng điện

Cơng st biểu kiến S = UI* = U( IR – jIX ) = P - jQ
Như vậy cơng suất biểu kiến S có hai thành phần là: Thành phần thực P và
thành phần phản kháng Q. Mối quan hệ giữa S, P, Q thể hiện ở hình vẽ 1- 3.
Từ hình vẽ 1-3 ta có tỷ lệ

P
= cos φ. Hệ số cosφ gọi là hệ số công suất.
S

Vậy hệ số công suất là hệ số biểu thị sự chuyển đổi cơng suất từ dạng này
sang dạng khác.
+ ðiều chỉnh hệ số công suất:

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

10


Giả sử ta có tải tiêu thụ ban đầu là S1 = Pdm + jQdm và lúc này hệ số công
suất là cosφ1 =

Pdm
=
S1

Pdm
2
P + Qdm
2
dm

. Giả sử ta lắp ñặt thiết bị bù, bù một lượng

công suất phản kháng là Qb thì ta có S2 = Pdm + j( Qdm - Qb) và hệ số công suất
cosφ2 =

Pdm
=
S2

Pdm
P + (Qdm − Qb )
2
dm

2

.

Ở ñây ta dễ dàng nhận thấy là cos φ2 > cos φ1
Vậy ñiều chỉnh hệ số công suất thực chất là dùng thiết bị cung cấp một
cơng suất phản kháng tương ứng và đối nghịch lại với cơng suất phản kháng
được tạo ra của thiết bị trả về lưới.

1.2.3 Hiệu quả giảm tổn thất bằng biện pháp bù cơng suất phản kháng
Khi CSPK được cung cấp từ các nhà máy ñiện, mỗi phần tử hệ thống:
máy phát, máy biến ñiện áp ñường dây, thiết bị bảo vệ ... phải gia tăng dung
lượng công suất truyền tải. Bù CSPK có thể làm giảm nhẹ các điều kiện này
bằng cách giảm nhu cầu CSPK từ nó cho các máy phát. Các dịng điện được
giảm nhẹ từ vị trí lắp ñặt bù ñến các máy phát. Kết quả là giảm tổn thất cơng

suất, giảm tổn thất điện áp trên đường dây và trạm biến áp[2], [6]
Lợi ích có thể ñạt ñược do việc bù CSPK là:
- Giảm công suất phát tại các nhà máy
- Giảm công suất truyền tải
- Giảm dung lượng các trạm biến áp
- Giảm được cơng suất tác dụng yêu cầu ở chế ñộ cực ñại của hệ thơng
điện (do giảm ∆P), vì vậy giảm được dự trữ cơng suất tác dụng của hệ thống
điện.
- Cải thiện hệ số cơng suất
- Giảm tổn thất điện năng ( tổn thất ñồng)
- Giảm ñộ sụt áp và cải thiện việc điều chỉnh điện áp
Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

11


- Giảm công suất trên các xuất tuyến và các phần tử liên quan
- Trì hỗn hoặc giảm bớt chi phí mở rộng nâng cấp lưới điện
- Tăng doanh thu do việc cải thiện ñiện áp

1.3 Các phương tiện bù cơng suất phản kháng
1.3.1 Mục tiêu và lợi ích bù công suất phản kháng
a. Mục tiêu:
- ðiều chỉnh hệ số công suất: Là thực hiện cấp công suất phản kháng
càng gần tải càng tốt. Hầu hết các phụ tải công nghiệp, nơng nghiệp đều tiêu
thụ cơng suất phản kháng. Vì vậy mà dịng tải có khuynh hướng lớn hơn dịng
điện cần thiết để cung cấp riêng cho cơng suất sinh cơng. ðiều này dẫn tới
gây lãng phí do phải tăng tiết diện dây dẫn, gây tổn thất ñiện áp cũng như tổn
thất ñiện năng lớn hơn nhiều so với thực tế.
- Củng cố việc ñiều áp: Là một vấn ñề quan trọng và ñặc biệt cần thiết

nếu trong lưới ñiện có các phụ tải có nhu cầu cơng suất phản kháng ln thay
đổi. Trong mọi trường hợp, sự biến thiên về nhu cầu công suất phản kháng sẽ
gây ra sự biến thiên ñiện áp tại ñiểm cung cấp làm ảnh hưởng ñến hoạt ñộng
của các phụ tải ñấu nối vào ñiểm ñó và làm tăng khả năng nhiễu loạn giữa các
phụ tải ở gần. ðể ngăn ngừa việc này chúng ta phải cố gắng duy trì điện áp
trong giới hạn quy định. Trong trường hợp này thiết bị bù đóng vai trị quan
trọng trong việc duy trì điện áp trong giới hạn quy ñịnh.
- Cân bằng phụ tải: ða số các hệ thống ñiện xoay chiều là ba pha và
ñược thiết kế vận hành ở chế ñộ cân bằng. Khi hệ thống hoạt động khơng cân
bằng làm tăng các thành phần thứ tự nghịch và thứ tự khơng của dịng ñiện.
Các thành phần này dễ gây tác ñộng xấu: làm tăng các loại tổn thất trong ñộng
cơ và các máy phát, gây dao động mơmen quay ở các máy điện xoay chiều
…làm cho các thiết bị điện hoạt động khơng ñúng chức năng, làm tăng bão
hoà từ cho máy biến áp và dịng trung tính vượt q mức cho phép.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

12


b. Lợi ích:
- Tăng hệ số cosφ.
- Giảm tổn thất ñiện năng tiêu hao trên ñồng.
- Giảm ñộ sụt áp và cải thiện việc điều chỉnh điện áp.
- Giảm cơng suất phát tại các nhà máy.
- Giảm dung lượng các trạm biến áp.
- Giảm công suất truyền tải.
…

1.3.2 Các phương tiện bù cơng suất phản kháng
a. Máy bù đồng bộ

Xét đường dây trên hình sau:

•

U1

1

R

•

X

S2

2
•

U2

MB
Qb

Hình 1-5: đường dây truyền tải
ðiện áp ở cuối ñường dây trước khi ñặt máy bù là:
U2 = U1 -

P2 R + Q2 X
U2

Ở ñây ta nhận thấy điện áp ở cuối đường dây U2 ln nhỏ hơn điện áp ở
đầu đường dây U1 do có sự tổn hao trên ñường dây. ðể U2 ñạt ñến yêu câu ≈
U1 cần phải ñặt máy bù ñồng bộ có cơng suất Qb. Sau khi đặt thiết bị bù ñiện
áp ở cuối ñường dây gọi là U2yc ñược tính như sau:

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

13


U 2 yc = U 1 −

⇒

(U

Qb =

P2 R + (Q2 − Qb X )
U 2 yc

2 yc

[

]

− U 2 ) U 2 ycU 2 − (P2 R + Q2 X )
U2 X

Nếu như lấy 1/U2yc ≈ 1/U2, khi đó cơng suất của thiết bị bù được xác
định theo biểu thức sau [4, tr138]:
Qb =

U 2 yc − U 2
X

U 2 yc

Các máy bù đồng bộ có thể làm việc cả ở chế độ q kích thích và thiếu
kích thích. Khi q kích thích các máy bù đồng bộ phát ra cơng suất phản
kháng bằng cơng suất bù dao động: Qbp = Qbdđ. Trong chế độ thiếu kích thích
các máy bù tiêu thụ cơng suất phản kháng Qbt = 0,5Qbdđ, do đó có thể dẫn đến
tăng tổn thất điện áp trong mạng và giảm tổn thất ñiện áp ở các hộ tiêu thụ.
ðiều chỉnh ñiện áp bằng máy bù ñồng bộ có thể áp dụng chỉ trong
trường hợp các trạm khu vực khơng có máy biến áp điều chỉnh dưới tải.
- Ưu điểm:
+ Máy bù đồng bộ có thể điều chỉnh trơn cịn tụ điện điều chỉnh theo
từng cấp.
+ Máy bù có thể phát ra hay tiêu thụ CSPK, tụ ñiện chỉ phát ra CSPK.
+ CSPK do tụ ñiện phát ra phụ thuộc vào ñiện áp vận hành. Thời gian
vận hành, tuổi thọ ngắn, dễ hư hỏng (khi bị ngắn mạch, quá áp).
b. Bù tĩnh
1) Bù bằng tụ ñiện tĩnh
ðối với lưới điện trung áp thường giải bù cơng suất phản kháng ở mỗi
cụm nhỏ thường từ 300 KVAr ñến 600 KVAr nên thường dùng tụ ñiện tĩnh ñể
bù.
Tụ ñiện tĩnh có suất đầu tư bé và khơng phụ thuộc cơng suất đặt, thời
gian thiết kế và thi cơng nhanh, chi phí vận hành bảo dưỡng thấp, vị trí lắp ñặt

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

14