BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
-------
-------
LÊ TRUNG THÀNH
PHƯƠNG PHÁP BÙ TỐI ƯU TRONG
MẠNG ðIỆN PHÂN PHỐI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ NỘI - 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
-------
-------
LÊ TRUNG THÀNH
PHƯƠNG PHÁP BÙ TỐI ƯU TRONG
MẠNG ðIỆN PHÂN PHỐI
CHUYÊN NGÀNH
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin trân trọng cảm ơn sâu sắc TS . Trần Quang Khánh người ñã
trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận
văn của mình.
Xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn ñiện, khoa
Cơ ðiện, các thầy giáo, cô giáo Viện ñào tạo sau ñại học trường ðHNN Hà
Nội ñã hướng dẫn và giúp ñỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn gia ñình, bạn bè, ñồng nghiệp ñã tạo ñiều kiện
giúp ñỡ tôi trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn.
Hà nội, ngày 26 tháng 11 năm 2013.
Tác giả
Lê Trung Thành
Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
iii
MỤC LỤC
Lời cam ñoan
ii
Lời cảm ơn
iii
Mục lục
2
4
Phạm vi và nội dung nghiên cứu
2
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
TRONG MẠNG ðIỆN PHÂN PHỐI
3
1.1
Sự tiêu thụ công suất phản kháng của các thiết bị.
3
1.1.1
Làm tăng tổn thất công suất và tăng ñốt nóng dây dẫn
4
1.1.2
Tăng tiết diện dây dẫn
9
1.3
Kết luận.
13
CHƯƠNG II CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN BÙ
TRONG MẠNG ðIỆN PHÂN PHỐI.
Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
14
iv
2.1
Quan hệ giữa tổn thất ñiện năng, chi phí quy dẫn với hệ số công
suất và thời gian sử dụng công suất cực ñại.
14
2.1.1
Quan hệ giữa tổn thất ñiện năng với hệ số cosϕ và thời gian TM .
14
2.3.1
ðộng cơ ñồng bộ.
21
2.3.2
Tụ ñiện.
23
2.3.3
Máy phát và máy bù ñồng bộ.
25
2.3.4
Bài toán chọn nguồn công suất phản kháng tối ưu.
27
2.4
Ảnh hưởng của thiết bị bù ñối với chất lượng ñiện năng .
28
3.1.2
Mô hình tính bù theo ñiều kiện cực tiểu tổn thất ñiện năng
34
3.1.3
Mô hình tính bù theo ñiều kiện ñiều chỉnh ñiện áp.
35
3.1.4
Mô hình tính bù theo ñiều kiện cực tiểu các chi phí
36
3.1.5
Mô hình tính bù theo chỉ tiêu tối ña hoá các tiết kiệm.
37
3.1.6
Mô hình tính bù theo giá trị hệ số cosϕ2 cần ñạt ñược.
37
Một số giả thiết khi tính toán tối ưu công suất bù.
42
3.4.2
Mô hình toán học bù công suất phản kháng.
43
3.4.3
Giải bài toán bù công suất phản kháng bằng phương pháp QHð.
44
3.4.4
Xét ñến ràng buộc về tổn thất ñiện áp.
52
3.4.5
Áp dụng .
54
3.5
67
3.6.1
Khái quát chung về MATLAB
67
3.6.2
Một số cửa sổ thông dụng của Matlab
69
3.6.3
Những ưu ñiểm nổi bật của phần mềm Matlab
71
3.6.4
Ứng dụng phần mềm Matlab bù công suất phản kháng trên lưới
ñiện phân phối
72
CHƯƠNG IV TÍNH TOÁN ðỐI VỚI MẠNG ðIỆN VĨNH TƯỜNG VĨNH PHÚC
75
81
4.3.1
Chương trình tính toán cosφ trên các nút của mạng ñiện lộ E- 373
81
4.3.2
Chương trình tính toán cosφ trên các nút của mạng ñiện lộ E-374
82
Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
vi
4.3.3
Tính toán bù công suất phản kháng tối ưu cho lưới ñiện Huyện
Vĩnh Tường.
84
CHƯƠNG V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
89
P
Công suất tác dụng
Ccb
Tiền ñiện cơ bản
CA
Tiền ñiện trả theo mức tiêu thụ
gp
ðơn giá công suất tác dụng Yên/kW.
gA
ðơn giá ñiện năng tác dụng Yên/kWh
A
ðiện năng tiêu thụ, kWh
τ
Thời gian tổn thất công suất cực ñại hàng năm
TM
Ic
Thành phần ñiện dung
ILV
Dòng làm việc
Idd
Dòng ñiện chạy trên ñường dây
P,Q
Phụ tải tác dụng và phản kháng
Pn , Qn ,Un
Các giá trị phụ tải và ñiện áp ñịnh mức
KQM
Giá trị cực ñại của hệ số mang tải phản kháng
Qn
Công suất phản kháng ñịnh mức của mỗi ñộng cơ
U
t
Thời gian làm việc của tụ bù
KMB
Vốn ñầu tư của máy bù ñồng bộ
∆PM
Tổn thất công suất ngắn mạch của máy bù ñồng bộ
P0
Tổn thất công suất không tải của máy bù ñồng bộ
g00
Suất giá thành tổn thất không tải
g0M
Suất giá thành tổn thất ngắn mạch
Qi,Qj
Công suất của nguồn và của các phụ tải
N, M
Utb
Giá trị trung bình của ñiện áp
a1 , a2
Các hệ số hồi quy
y0
Suất thiệt hại do giảm chất lượng ñiện
Ri
ðiện trở của ñường dây tính từ nguồn ñến ñiểm nút thứ i
Ri, Xi
ðiện trở của ñoạn dây thứ i
n
Số ñoạn dây
Kb
Suất vốn ñầu tư của thiết bị bù
Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
Chi phí tổn thất ñiện năng trong thiết bị bù
Z3
Chi phí tổn thất ñiện năng trong ñường dây
n
Số ñoạn dây
aq
Tỷ lệ giảm tổn thất do có sự ñiều chỉnh dung lượng bù
S
Sai số cho phép
β
Hệ số tán xạ
kv
Hệ số biến ñộng của thông tin thu thập mẫu
σ(P)
ðộ lệch chuẩn của các phép ño phụ tải
x
DANH MỤC HÌNH
Stt
Tên hình
Trang
1.1
Sơ ñồ lưới ñiện
1.2
Các phương án ñặt thiết bị bù công suất phản kháng.
10
2.1
Biểu ñồ phụ thuộc giữa tổn thất ñiện năng với hệ số cosϕ và TM.
15
2.2
Biểu ñồ phụ thuộc giữa chi phí quy dẫn với hệ số cosϕ và TM
29
3.1
ðồ thị phụ tải phản kháng Q(t)
35
3.2
Sơ ñồ mạng bù theo ñiều kiện ñiều chỉnh ñiện áp
35
3.3
Sơ ñồ tính bù theo chỉ tiêu tối ña hóa các tiết kiệm
37
3.4
Sơ ñồ lưới phân phối ñơn giản
40
3.5
Các loại sơ ñồ mạng ñiện phân phối
58
3.11
Biểu ñồ phụ tải phản kháng với các phương thức ñiều chỉnh bù
58
3.12
ðồ thị phụ tải hàng ngày
64
3.13
Giao diện cửa sổ chính của phần mềm Matlab.
69
3.14
Giao diện cửa sổ lập trình của phần mềm Matlab.
69
3.15
Giao diện cửa sổ Blank M-file của phần mềm Matlab.
74
4.1
Sơ ñồ bố trí các trạm biến áp trên lộ E - 373
76
4.2
Sơ ñồ bố trí các trạm biến áp trên lộ E-374
78
Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
xii
MỞ ðẦU
1. ðặt vấn ñề.
Cùng với quá trình Công nghiệp hoá và hiện ñại hoá ðất nước, nhu cầu phụ
tải không ngừng gia tăng. Sự xuất hiện của các khu công nghiệp ñòi hỏi sự
tiêu thụ công suất phản kháng tăng lên nhanh chóng, ñiều ñó làm tăng tổn thất
ñiện năng, công suất và chi phí truyền tải ñiện năng, giảm hiệu quả sử dụng
mạng ñiện, ñồng thời làm giảm hệ số công suất cosϕ và chất lượng ñiện năng.
Sự tăng tổn thất do suy giảm hệ số cosϕ buộc các nhà kinh doanh ñiện năng
phải áp dụng bảng giá phạt ñối với các hộ dùng ñiện có hệ số cosϕ thấp.
Chính vì vậy nhiệm vụ bù công suất phản kháng ñược ñặt ra không chỉ ñối
thiếu thống nhất. ðiều ñó cũng dễ hiểu vì thực tế mốc phạt cosϕ < 0,8 ñặt ra
chưa dựa trên cơ sở tính toán khoa học. Mặt khác khi khách hàng có hệ số
cosϕ lớn hơn mức quy ñịnh thì lại chưa ñược ñề cập ñến….
ðề tài sẽ tính toán và ñề xuất mô hình tính bù theo ñiều kiện cực tiểu
các chi phí và theo giá trị cosϕ2 cần ñạt ñược.
2. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết ñể xây dựng thuật toán, xây dựng mô hình tính
toán cho mạng ñiện phân phối.
- Dùng phần mềm mô phỏng ñể kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài
Về khoa học: Luận văn góp phần chuẩn hóa quá trình ñánh giá chất
lượng ñiện và ñưa ra phương phát tính toán bù tối ưu trong mạnh ñiện.
Về thực tiễn: Với kết quả thu ñược của ñề tài ñã góp phần:
- Giải quyết một phần những khó khăn về vấn ñề tính toán bù công suất
phản kháng trong mạng ñiện phân phối.
4. Phạm vi và nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu chính của luận văn ñề cập ñến những vấn ñề sau:
- Nghiên cứu về các phương pháp bù trong mạng ñiện phân phối , tính
toán và mô phỏng trong phần mềm MATLAB.
- Nghiên cứu các thông số của mạng ñiện phân phối, xây dựng mô hình
thuật toàn và phân tích số liệu.
Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
2
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG
MẠNG ðIỆN PHÂN PHỐI
Trong ñó:
cosϕ - Hệ số công suất.
P
- Công suất tác dụng.
S
- Công suất biểu kiến.
U, I
- ðiện áp và dòng ñiện.
Trong thực tế vận hành giá trị cosϕ thường ñược xác ñịnh theo công thức:
Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
3
cosϕ =
1
1+Ax
Ar
;
∆Pr, ∆Px - Thành phần tổn thất công suất tác dụng, phản kháng.
Khi truyền tải ñiện năng trong mạng ñiện cao áp do ñiện trở phản
kháng lớn nên thành phần tổn hao công suất phản kháng thường lớn hơn
thành phần tổn thất công suất tác dụng. ðặc biệt ñối với máy biến áp thành
phần tổn thất công suất phản kháng chiếm tỷ lệ rất lớn. Chẳng hạn ñối với
máy biến áp: 320 kVA - 10/0,4 thì ∆P%= 2,4 còn ∆Q% = 3,2.
Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
4
1.1.2. Tăng tiết diện dây dẫn
Khả năng truyền tải của ñường dây và máy biến áp phụ thuộc vào ñiều
kiện phát nóng cho phép, tức là phụ thuộc vào dòng ñiện cho phép của chúng.
Dòng ñiện chạy qua dây dẫn và máy biến áp ñược xác ñịnh:
S
I=
=
3U
P2+Q2
;
3U
(1.3)
Từ biểu thức trên chúng ta nhận thấy: Với cùng một ñiều kiện phát
nóng nhất ñịnh của ñường dây và máy biến áp với P = const, nếu tăng lượng
Kết quả tính toán ở ví dụ trên cho thấy khi hệ số cosϕ giảm từ 1 xuống
0,7 thì giá trị công suất toàn phần tăng lên 1,41 lần
1.1.3. Làm hạn chế khả năng truyền tải công suất tác dụng.
Cũng từ biểu thức (1.3) trên ta thấy, nếu vẫn giữ dòng I= const thì khi
Q tăng buộc phải giảm P ñể ñảm bảo ñiều kiện ñốt nóng cho phép của các
phần tử hệ thống ñiện. Còn nếu vẫn giữ nguyên giá trị P = const thì nếu công
suất phản kháng qúa lớn sẽ có thể gây quá tải cho các thiết bị ñiện vì công
suất toàn phần S phải tăng lên. ðiều ñó sẽ làm giảm tuổi thọ thậm chí có thể
phá huỷ thiết bị. Việc giảm công suất tác dụng sẽ làm giảm hiệu suất truyền
Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
5
tải của mạng ñiện.
1.1.4. Giảm chất lượng ñiện .
Tăng công suất phản kháng sẽ làm giảm chất lượng ñiện do tổn thất
ñiện áp tăng và do dao ñộng ñiện áp khi công suất phản kháng thay ñổi.
Như ñã biết
∆U =
PR+QX
= ∆Ur+ ∆Ux ;
U
(1.4)
Trong ñó:
Ux, ∆Ur - Thành phần tổn thất phản kháng, tác dụng.
6 ÷ 22kV
0.4kv
O.4kV
Hình 1.1. Sơ ñồ lưới ñiện
Trong sơ ñồ cấp ñiện nêu trên, hệ số công suất cosϕ và bù công suất
phản kháng ñược ñề cập ñến ở từng cấp ñiện áp. Qua khảo sát thực tế tại một
số ðiện lực các tỉnh, giá trị cosϕ ở các cấp ñiện áp thể hiện rõ nét như sau:
- Tại các cấp ñiện áp 35 kV trở lên hệ số công suất cosϕ có giá trị
thường từ 0,85 trở lên. Trường hợp nguồn cấp là nhà máy ñiện, ví dụ như tại
ðiện lực Phú thọ thì cosϕ = 0,85; còn trường hợp nguồn cấp là thanh cái trạm
110kV, 220kV thì cosϕ có giá trị cao hơn, thậm chí tới 0,92 ÷ 0,95. Cũng
chính vì vậy mà cosϕ có giá trị tại các ñầu nhánh ñường dây cấp 22kV,10kV,
6kV cũng cao, không dưới 0,85. Do vậy các nhà quản lý ðiện lực cấp tỉnh tự
cảm nhận là hệ số cosϕ dường như không có vấn ñề gì.
- Tại cuối các nhánh ñường dây cấp 22kV, 10kV, 6kV giá trị cosϕ
không còn cao nữa. Các máy biến áp hạ áp 22kV,10kV, 6kV xuống 0,4 kV
trong nhiều trường hợp vận hành non tải nên giá trị cosϕ ñầu ra ñường dây
ñiện hạ thế bị tụt xuống. Và xa hơn nữa tại ñầu vào của các hộ phụ tải ñiện áp
hạ thế 0,4 kV giá trị cosϕ khá thấp do chính các phụ tải ñiện (ñồ ñiện) như
quạt, ñiều hoà nhiệt ñộ, ñèn Neon, tủ lạnh, v.v... có giá trị cosϕ thấp, tiêu thụ
Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
7
1.2.1.2. Thực trạng làm việc của các thiết bị bù.
Nhìn chung, ñại ña số các thiết bị bù công suất phản kháng hiện tại
không có cơ cấu tự ñộng ñiều chỉnh, vì vậy ở một số nơi vào giờ thấp ñiểm có
hiện tượng dòng công suất phản kháng chạy ngược, làm tăng tổn thất và quá
áp cục bộ. Vị trí ñặt thiết bị bù thường ñược chọn sao cho dễ vận hành chứ
không xét ñến hiệu quả kinh tế của thiết bị, vì vậy chưa tận dụng ñược hiệu
quả làm việc của thiết bị, dẫn ñến sự lãng phí. Tuổi thọ của thiết bị bù thường
thấp hơn nhiều so với giá trị quy ñịnh của nhà sản xuất vì ñiều kiện làm việc
của thiết bị chưa phù hợp. ða số các trường hợp hỏng tụ do bị nổ một pha.
Nguyên nhân chủ yếu là do phần lớn tụ bù không có bộ lọc sóng hài, mà
thông thường sự xuất hiện của sóng hài ñồng thời với sự mất ñối xứng, do ñó
dẫn ñến một trong các pha bị quá nhiệt cục bộ, làm nổ tụ.
ðể bảo vệ tụ bù và nâng cao tuổi thọ của chúng cần phải có sự nghiên
cứu, phân tích, áp dụng các thiết bị bảo vệ phù hợp như bộ lọc sóng hài và các
thiết bị giảm ảnh hưởng của sóng hài khác. Trên cơ sở phân tích hiện trạng sử
dụng ñiện và hệ số công suất của mạng ñiện ở một số khu vực ta rút ra một số
nhận xét sau:
1. Chế ñộ vận hành mạng phân phối chủ yếu là vận hành hở.
2. Một thiết bị bù công suất phản kháng có thể ñáp ứng cả ba chức năng
là ñiều chỉnh công suất, ñiều chỉnh ñiện áp và cân bằng pha.
3. Việc bù công suất phản kháng trong mạng phân phối là bù rải trên
các xuất tuyến trung áp.
4. Trong thực tế vận hành, ñồ thị phụ tải thay ñổi không bằng phẳng.
Do vậy cần phải xác ñịnh vị trí, dung lượng, thời gian ñóng cắt của tụ.
1.2.2. Vấn ñề bù công suất phản kháng ở một số nước trên thế giới.
Vấn ñề bù công suất phản kháng ñể là giải pháp giảm tổn thất ñiện
năng rất ñược coi trọng ở các nước tiên tiến. Giải pháp này ñược quan tâm
số công suất phụ thuộc vào số lượng thiết bị dùng ñiện. Trong trường hợp có
ít ñộng cơ trong nhóm thì vẫn có khả năng dư thừa công suất phản kháng.
Vì vậy ñối với phương án này cũng cần phải trang bị thêm hệ thống tự
ñộng ñiều chỉnh dung lượng tụ bù.
3) Thiết bị bù tĩnh ñóng cắt ngay trên ñầu vào của các thiết bị dùng
ñiện (hình c).
Theo phương án này một công tắc tơ sẽ ñiều khiển cả ñộng cơ và tụ bù.
Khi ñộng cơ không làm việc thì tụ bù cũng sẽ ñược cắt khỏi mạng, do ñó sẽ
không cần ñến các thiết bị ñiều khiển.
Thường thì các cụm tụ bù không ñiều chỉnh ñược áp dụng nếu công suất
tụ chỉ chiếm 15% công suất của máy biến áp, còn nếu công suất tụ lớn hơn
15% công suất máy biến áp thì cần phải ñặt thiết bị bù có tự ñộng ñiều chỉnh
ðể bảo vệ cho thiết bị bù người ta thường dùng bộ lọc sóng hài lắp nối
tiếp với bộ tụ và các máy cắt ñể bảo vệ chống ngắn mạch.
Hiện nay ñã có rất nhiều thiết bị tự ñộng ñiều chỉnh dung lượng bù
ñược áp dụng. Một trong những hệ thống hiện ñại dùng ñể ñiều chỉnh hệ số
công suất cosϕ có tên gọi là Hershey. Ngoài ra hệ thống Hershey còn ñược
lắp ñặt thiết bị tự chẩn ñoán ñặc biệt ñể cảnh báo khi khi có sự cố bất thường
xẩy ra trong các ngăn tụ bù.
Thiết bị tự ñộng ñiều chỉnh hệ số công suất AFPC (Automatic Power
Factor Controller) có tên gọi là POWERWARE ñược áp dụng khá rộng rãi ở
các nước tiên tiến. ðây là loại thiết bị tự ñộng ñiều chỉnh hệ số công suất có
gắn bộ vi xử lý, cho phép duy trì giá trị hệ số công suất cao nhất ở mọi thời
Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
11
ñiểm trong ngày.
Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
12
Copyright: Tài liệu đại học ©