Khoá luận tốt nghiệp
Phần 1: Mở đầu
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay đất nước ta đã bước vào quá trình công nghiệp hoá - hiện đại
hoá đất nước và đặc biệt chúng ta bước vào quá trình hội nhập Quốc tế WTO
đó là thời cơ mới để đưa đất nước ta ngày càng phát triển.
Để đưa đất nước ta phát triển thì phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: con
người, nguồn tài nguyên thiên nhiên, vị trí địa lý, khí hậu và đặc biệt hơn
nữa nhờ có nguồn tài nguyên điện năng đã và sẽ đưa đất nước ta ngày càng
văn minh tiến bộ và phát triển
Ngày nay điện năng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp,
giao thông vận tải, nông lâm nghiệp,thông tin liên lạc và dịch vụ.. vì có ưu
điểm hơn ngành năng lượng khác: sản xuất điện năng tập trung với những
nguồn công suất lớn, phân phối đến tận nơi tiêu thụ với tổn hao nhỏ. Điện
năng rất quan trọng cho cơ khí hoá, điện khí hoá và tự động hoá là nguồn
năng lượng cao cấp tác động lên các nguồn tài nguyên khoáng sản không
kim loại ( các loại đá, cát, muối), kim loại ( bôxit, thiếc, đồng, sắt) để tạo ra
của cải vật chất cho xã hội cho sự phát triển của nên kinh tế quốc dân
Như vậy điện năng được sử dụng rất rộng rãi làm cho nguồn điện năng
ngày càng bị cạn kiệt không đáp ứng đủ nhu cầu của toàn xã hội. Vậy phải
làm thế nào để tiết kiệm nhiên liệu và tăng nguồn điện cho phụ tải đây chính
là vấn đề cấp thiết được Đảng và Nhà nước ta đặt lên hàng đầu. Qua nhiều
năm nghiên cứu các nhà khoa học đã đưa ra các giải pháp để tiết kiệm nhiên
liệu và tăng nguồn điện cho phụ tải.
Chính vì lý do trên tôi đã mạnh dạn nghiên cứu đề tài Các giải pháp kỹ
thuật giảm tổn thất công suất và điện năng với hi vọng sẽ giúp cho nguồn
điện năng chúng ta đang sử dụng không bị cạn kiệt

Phạm Thị Bình An

1

1. Khái niệm chung
1.1.Tầm quan trọng của giảm tổn thất công suất và điện năng
Giảm tổn thất công suất và điện năng trong các mạng điện là một trong các
biện pháp quan trọng để tiết kiệm nhiên liệu và tăng nguồn điện cho phụ tải.
1.2. Phân loại tổn thất điện năng
Tổn thất điện năng trong mạng điện có thể chia thành hai phần: tổn thất
kỹ thuật và tổn thất thương mại.
1.2.1. Tổn thất kỹ thuật trong các mạng điện là cực kỳ quan trọng, bởi vì nó
dẫn đến tăng vốn đầu tư để sản xuất và truyền tải điện năng, cũng như chi phí
về nhiên liệu. Tổn thất kỹ thuật được xác định theo các thông số chế độ và
thông số của các phần tử trong mạng điện. Tổn thất kỹ thuật gồm có tổn thất
điện năng do đốt nóng các dây dẫn trong mạng điện, tổn thất trong các máy
biến áp và các tổn thất khác (tiếp xúc, dò điện ...).
1.2.2. Tổn thất thương mại có thể do sự không hoàn thiện của hệ thống đo
đếm điện năng sai số của các thiết bị dùng để tính điện năng, thất thu tiền
điện, gian lận v v....Vì để nâng cao chỉ tiêu kinh tế của hệ thống điện cần sử
dụng các giải pháp giảm tổn thất công suất hay là điện năng trong các mạng
điện.
2. Các phương pháp giảm tổn thất công suất và điện năng
Các biện pháp giảm tổn thất công suất và điện năng được áp dụng trong
khi thiết kế, cũng như trong khi vận hành hệ thống. Dưới đây là một số giải
pháp: đặt các thiết bị bù công suất phản kháng (máy bù đồng bộ, các bộ tụ
tĩnh các thiết bị bù điều khiển tĩnh); vận hành kinh tế các trạm biến áp; tối ưu
hoá sự phân công công suất trong các mạng kín không đồng nhất; nâng cao

Phạm Thị Bình An

3



3. Không xét sự thay đổi giá của tổn thất công suất C0 khi tăng công
suất của thiết bị bù, nghĩa là C0 được lấy cố định.
4. Giá của các thiết bị bù được lấy tỷ lệ thuận với công suất của chúng.
1.1.2. Bài toán tối ưu hoá công suất của các thiết bị bù đối với sơ đồ
đơn giản
Xét mạng điện đơn giản có sơ đồ như hình 1.1a
Các thông số cho trước:
Đường dây có điện áp danh định là Udđ và tổng trở Z = R +jX.
Công suất của phụ tải S2 =P2 + j Q2.

Phạm Thị Bình An

5


Khoá luận tốt nghiệp

a)

b)
Hình 1.1 - Sơ đồ mạng điện đơn giản.

a- đường dây; b - sơ đồ tính bù công suất phản kháng của đường dây.
Tìm công suất tối ưu Qbt của thiết bị bù đặt tại thanh góp 2 của sơ đồ.
Chúng ta ký hiệu công suất của thiết bị bù đặt ở thanh góp 2 (hình 1.1b)
là Qb Như vậy chi phí về thiết bị bù có thể xác định theo công thức:
Z1 = k0Qb

(1.1)


Khoá luận tốt nghiệp
Bởi vì thành phần

P2

2

2
U dd

.R dường như không thay đổi theo công suất Qb,

cho nên không cần xét đến trong biểu thức của P. Vì vậy chi phí về tổn thất
công suất tác dụng lên đường dây sau khi bù có giá trị:
Z3 =

(Q 2 Q b ) 2
2
U dd

.R.C0

(1.4)

Hàm mục tiêu gồm có chi phí về thiết bị bù và chi phí về tổn thất công
suất tác dụng trong mạng điện sau khi đặt bù công suất phản kháng, nghĩa là
bằng:
Z = k0 Q0 + P0QbC +

(Q 2 Q b ) 2

là không hợp lý về kinh tế. Khi Qbt > Q2, chỉ nên bù đến hệ số công suất cos
= 0.95 - 0.97. Bởi vì sau đó công suất phản kháng ảnh hưởng không đáng kể
đến tổn thất công suất tác dụng lên đường dây.

Phạm Thị Bình An

7


Khoá luận tốt nghiệp
Bài toán tối ưu hoá công suất của các thiết bị bù đối với mạng điện phức
tạp được giải quyết tương tự.
1.1.3. Đối với mạng điện phức tạp hơn sơ đồ hình 1.1a
Các thiết bị bù ở kiểu khác nhau có thể đặt ở hàng loạt nút. Các bộ tụ
đặt trong các nút khác nhau có suất đầu tư khác nhau. Bài toán tối ưu hoá trở
nên không tuyến tính và phức tạp bởi vì phải tính đến điện áp và quan hệ phi
tuyến của giá thành các thiết bị bù. trong trường hợp tổng quát đây là bài toán
tối ưu hoá rời rạc vì công suất của các thiết bị bù (các bộ tụ) thay đổi rời rạc.
Ví dụ 1.1.
Xác định công suất bù tối ưu ở bộ tụ đặt ở thanh góp 10 kV của mạng
điện (hình 1.2.a) Công suất của phụ tải (MVA), chiều dài đường dây (km) và
tiết diện dây dẫn cho trên hình 1.2. Máy biến áp hạ áp có kí hiệu TDH
25000/110. Suất tổn hao công suất tác dụng trong bộ tụ P0 = 0,005 kw/kVAr.
Suất đầu tư cho bộ tụ K0 = 150 . 103 đ/kVAr. Suất chi phí cho tổn thất công
suất tác dụng C0 = 15.106 đ/kw.

a)

b)
Hình 1.2. Sơ đồ mạng điện

U dd

(15 Q b ) 2
110 2

.(Rđ + Rb )=

(15 Q b ) 2
110 2

.(12,6 + 2,54)

.(15,14) MW

Chi phí về tổn thất công suất tác dụng trong mạng điện sau khi đặt bù
có giá trị:
Z3= PC0=

(15 Q b ) 2
110

2

.15,14.15.109 = 18,76.106(15 - Qb)2

Hàm mục tiêu Z có giá trị
Z = Z1 + Z2 + Z3 = 150.106 Qb + 75.106 Qb + 18,76.106 (15-Qb)2
= 225.106.Qb + 18,76. (15 - Qb)2 .
Công suất bù tối ưu Qbt của bộ tụ được xác định từ điều kiện:
Z


(1.8)

Trong đó P - tổn thất công suất tác dụng trong mạng điện sau khi đặt
các thiết bị bù; Qb1, Qb2,..., Qbn - công suất phản kháng của các thiết bị bù ở
các nút phụ tải; n - số nút trong mạng điện.
Vì vậy có thể diễn đạt bài toán tối ưu hoá như sau
min P = min P(Qb1, Qb2,..., Qbn,)
Với các hạn chế:

Phạm Thị Bình An

10

(1.9)


Kho¸ luËn tèt nghiÖp
n


i 1

Qbi = Qb 

(1.10)

H×nh 1.4. C¸c s¬ ®å cña m¹ng ®iÖn h×nh tia .
Qbi  0



1
(Q1 Q b1 ) 2 R 1 (Q 2 Q b 2 ) 2 R 2
2
U dd





(1.14)

Trong đó Q1 , Q2 - phụ tải phản kháng của hộ tiêu thụ ở các nút 1 và 2
của mạng điện; Qb1 , Qb2 - công suất phản kháng cần tìm của các thiết bị bù ở
các nút 1 và 2 ; R1 R2 - điện trở tác dụng của các đường dây.
Từ điều kiện (1.10) có thể viết được biểu thức
Qb = Qb1 + Qb2
Do đó :

(1.15)

Qb2 = Qb - Qb1

(1.16)

Sau khi thay (1.16) vào (1.14) sẽ nhận được
P=

1
(Q1 Q b1 ) 2 R1 (Q 2 Q b 2 ) 2 R2

Q 2 Q b2
Q1 Q 2 Q b1 Q b 2 R 1 R 2
=
R 1R 2
(Q 2 Q b 2 ) R

Hay là:

Chúng ta kí hiệu Q1 + Q2 = Q

(1.20)
(1.21)

Sau khi thay (1.15) và (1.21) vào (1.20) nhận được
Q Qb

1
1
1

=
+
=
R1
(Q 2 Q b 2 ) R 2
R 2 R td

(1.22)

Từ công thức (1.22) chúng ta có quan hệ


13

(1.26)


Khoá luận tốt nghiệp
Khi đó công suất tối ưu của các thiết bị bù ở các nút mạng điện được
xác định theo các công thức.
Qb1 = Q1 - (Q - Qb )

R td
;
R1

Qb2 = Q2 - (Q - Qb )

R td
;
R2

(1.27)

. . . . . .
Qbn=Q1 - (Q - Qb )

R td
;
Rn


1
Rtd1

=

1
1
+
;
R1
R12 Rtd 2

Từ biểu thức (1.25) đối với nút 1 có thể nhận được quan hệ
(Q1 - Qb1)R1 = (Q - Qb )Rtd1
n

Trong đó Q =

Qi
i 1

Phạm Thị Bình An

14

(1.29)


Khoá luận tốt nghiệp
Đối với nút 2:

Rtd 2
R2

(1.32)

.

Qbi = Qi - (Qi-1 Qb(i-1))

Rtdi
;
Ri

Trong trường hợp đặc biệt của mạng điện chính, khi R1= R2= ...= Rn= 0
nghĩa là, các phụ tải nối trực tiếp vào mạng điện chính, sự phân bố kinh tế của
các thiết bị bù được xác định như sau: trước hết ta cần bù toàn bộ công suất Qn
ở nút xa nhất, sau đó nếu như Qb > Qn tiến hành bù công suất Qn-1 vv...
Phương pháp xét ở trên cũng có thể áp dụng để giải bài toán phân phối
các thiết bị bù trong mạng điện hỗn hợp (hình 1.4c). Để xác định điện trở
tương đương của đường dây chính D1 có các nhánh cần áp dung công thức
(1.28) còn đối với đương dây chính D2 không có các nhánh điện trở tương
đương có thể xác định theo công thức:

Phạm Thị Bình An

15


Khoá luận tốt nghiệp
Q 32 R 23 (Q 3 Q 2 ) 2 R 12 (Q 3 Q 2 Q1 ) 2 R 01


16


Khoá luận tốt nghiệp
Tính điện trở tương đương của mạng điện

1
R td

=

1
1
1
1
1
1
1
+
+
=
+
+
= 0,14
16,8 23,1 26
om
R1
R2 R3


Chế độ làm việc hợp lí về kinh tế của các máy biến áp trong các trạm là
một giải pháp hiệu quả để giảm tổn thất công suất và điện năng trong hệ thống
điện.

Phạm Thị Bình An

17


Khoá luận tốt nghiệp
Trong các trạm biến áp cung cấp cho các hộ tiêu thụ loại I và II,
cũng như trong các trạm khu vực thường có nhiều máy biến áp. Các máy biến
áp này có thể làm việc độc lập hay là song song.
Khi làm việc độc lập mỗi một máy biến áp được nối vào một phân đoạn
thanh góp riêng biệt. Vì vậy giảm được các dòng ngắn mạch sau các máy biến
áp. Do đó giảm nhẹ sự làm việc của thiết bị và các dụng cụ đóng cắt.
Nhưng chế độ làm việc độc lập của các máy biến áp không kinh tế so với chế
độ làm việc song song của chúng.
Chế độ kinh tế nhất của các máy biến áp tương ứng với phụ tải, tỉ lệ với
công suất danh định của chúng. Sự phân phối kinh tế của các phụ tải giữa các
máy biến áp đạt được trong trường hợp, nếu như các thông số của chúng giống
nhau. Nhưng trong thực tế điều kiện này thường không đạt được.
Các máy biến áp kiểu khác nhau cho phép làm việc song song nếu như tỉ số
các công suất của chúng không lớn hơn 1:3, các điện áp ngắn mạch khác nhau
không lớn hơn 10%, các điện áp của các đầu điều chỉnh khác nhau không lớn
hơn 0,5% và các tổ nối của các cuộn dây giống nhau. Trong trường hợp này
phụ tải của các máy biến áp sẽ khác phụ tải kinh tế một ít do xuất hiện các
dòng điện cân bằng.
Tổn thất công suất tác dụng trong máy biến áp gồm có tổn thất trong lõi
thép và trong các cuộn dây của máy biến áp. Tổn thất công suất trong một lõi


Trong đó P0- tổn thất công suất trong lõi thép máy biến áp
Pn- tổn thất công suất ngắn mạch

S - phụ tải của trạm.
Khi cắt một máy biến áp tổn thất trong trạm bằng
P1 = P0 + Pn(

S 2
)
Sdd

(1.35)

Từ các công thức (1.34) và (1.35) có thể nhận thấy rằng, cắt một
máy biến áp sẽ hợp lí về kinh tế nếu như tổn thất công suất P1 nhỏ hơn P2,
nghĩa là :
P0 + Pn (

S 2
S 2
1
) < 2 P0+ Pn(
)
2
Sdd
Sdd

(1.36)


phụ tải S, các đường cong tổn thất Pt=f(S) đối với số lượng các máy biến áp
làm việc khác nhau có dạng như hình 1.6

đường 1- có một máy biến áp làm việc;
đường 2- hai máy biến áp làm việc song song;
đường 3- ba máy biến áp làm việc song song.
Từ hình 1.6 nhận thấy rằng khi phụ tải nhỏ hơn S1 - một máy biến áp
làm việc là kinh tế . Khi phụ tải ở trong khoảng từ S1 đến S2 - hai máy biến áp
làm việc là kinh tế. Khi phụ tải lớn hơn S3 cần phải vận hành cả 3 máy biến áp.
Các giá trị S1 và S2 là các phụ tải giới hạn được sử dụng để xác định các chế
độ làm việc kinh tế của các máy biến áp trong trạm có nhiều máy biến áp.

Phạm Thị Bình An

20


Khoá luận tốt nghiệp
2.2. Tối ưu hoá chế độ của mạng điện không đồng nhất
2.2.1. Phân phối tự nhiên và kinh tế của công suất trong mạng điện kín
không đồng nhất.
Tối ưu hoá chế độ của mạng kín không đồng nhất là một giải
pháp hiệu quả để giảm tổn thất công suất và điện năng trong các hệ thống
điện.
Trong mạng điện không đồng nhất các tỉ số giữa các điện trở tác
dụng và điện kháng của các đoạn đường dây có giá trị khác nhau. Phân phối tự
nhiên của công suất trong các mạng kín được xác định theo các công thức
n




cung cấp A và B.

Z*AB - tổng trở liên hợp của tất cả các đoạn đường dây trong mạng điện
n số nút trong mạng điện
và:
n


SA1

n



*
i

S Z
i

i 1

; SAn

Z*k





công suất A.
Phân phối công suất trong mạng kín tương ứng với cực tiểu của tổn thất
công suất tác dụng được gọi là phân phối kinh tế của công suất. Chúng ta xét
xem phân phối tự nhiên của công suất trong mạng điện không đồng nhất có
phải là phân phối kinh tế hay không, nghĩa là nó có phù hợp với cực tiểu của
tổn thất công suất tác dụng hay không
2.2.1.1. Tối ưu hoá chế độ mạng điện không đồng nhất đơn giản có sơ đồnhư
hình 1.7

Hình 1.7. Sơ đồ mạng điện kín
Khi phân phối tự nhiên dòng công suất chạy trên đoạn đường dây 12
được xác định theo công thức sau.





S12 = P12



*
*
S2 (Z*23 Z13
) S3 Z13
+ j Q12 =
*
*
Z12
Z*23 Z13

S13 = P13 + j Q13 = ( S2 + S3 ) - S12
= ( P2 + P3 - P12) + j(Q2+Q3 - Q12)

(1.41)

Tổng công suất trong mạng điện bằng
2
2
P232 Q 223
P132 Q13
P122 Q12
P =
R12 +
R23 +
R13
2
2
U dd
U 223
U13

(1.42)

Trong đó Udđ - điện áp danh định của mạng điện.
Nếu như biểu diễn công suất chạy trên các đoạn đường dây 23 và 13
theo công suất chạy trên đoạn 12 và công suất các phụ tải S2 và S3, khi đó biểu
thức (1.42) có dạng sau.
2
(P12 P2 ) 2 (Q12 Q 2 ) 2
P122 Q12

Phạm Thị Bình An

23


Khoá luận tốt nghiệp
Sau khi giải các phương trình (1.44) và (1.45) chúng ta sẽ tìm được các
giá trị công suất kinh tế P12kt và Q12kt
P12kt =

Q12kt =

P2 (R 23 R 13 ) P3 R 13
R 12 R 23 R 13

(1.46)

Q 2 (R 23 R 13 ) Q 3 R 13
R 12 R 23 R 13

(1.47)

Do đó công suất toàn phần




S 12kt = P12kt + j Q12kt




PAnkt + jQAnkt =

(1.49)

Rk
n

SAnkt =



Si R i

j

i 1

Rk

(1.50)

Trong đó Si , SJ - phụ tải các nút i và j tương ứng;
Ri - điện trở tác dụng của các nhánh từ nút i đến nút A khi chiều đi


vòng với chiều công suất SA1kt

Phạm Thị Bình An