Luận văn thạc sĩ khoa học Bùi Tuấn Anh CHHTĐ 2006-2008
Lời cảm ơn
Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Phan Đăng Khải-
người thầy đã hướng dẫn tôi tận tình, chu đáo và động viên, khích lệ tôi
trong quá trình làm làm luận văn. Được làm việc với thầy là một vinh dự
cho tôi- Thầy đã truyền cho tôi những kinh nghiệm làm việc quý báu.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo và cán bộ Khoa Điện-
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong những năm học
tập vừa qua.
Tôi xin cảm ơn Ban Lãnh đạo và các đồng nghiệp của tôi ở Công ty
Cổ phần Tư vấn và Dịch vụ Kỹ thuật điện đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè- những người luôn
động viên tôi trong hai năm học tập và trong thời gian làm luận văn.
Khoa Điện - Đại học Bách Khoa Hà Nội
i
Luận văn thạc sĩ khoa học Bùi Tuấn Anh CHHTĐ 2006-2008
Mục lục
L i c m nờ ả ơ ........................................................................................................................i
M c l cụ ụ ..........................................................................................................................iii
Danh m c các ký hi u, các ch vi t t tụ ệ ữ ế ắ ....................................................v
Danh m c các b ng bi uụ ả ể ......................................................................................vi
Danh m c các hình v v đ thụ ẽ à ồ ị.................................................................vii
M đ uở ầ ..............................................................................................................................1
Khoa Điện - Đại học Bách Khoa Hà Nội
iii
Luận văn thạc sĩ khoa học Bùi Tuấn Anh CHHTĐ 2006-2008
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
ViÕt t¾t TiÕng Anh TiÕng ViÖt
Khoa Điện - Đại học Bách Khoa Hà Nội
v
Luận văn thạc sĩ khoa học Bùi Tuấn Anh CHHTĐ 2006-2008

tổng tổn thất trong hệ thống điện. Để
giảm bớt tổn thất trong lưới phân phối và đảm bảo điện áp lưới trong phạm vi
cho phép, người ta thường sử dụng các giải pháp kỹ thuật như: cải tạo lưới,
thay thế dây dẫn, nâng điện áp, bù công suất phản kháng, v..v... Trong các
giải pháp đó, bù công suất phản kháng là một giải pháp với nhiều ưu điểm
vượt trội như đơn giản, rẻ tiền, khả thi và hiệu quả cao.
Tuy nhiên trong thực tế, vấn đề bù công suất phản kháng trong lưới
phân phối lại chưa được quan tâm đúng mức, chưa có những tính toán và đầu
tư thỏa đáng nên hiệu quả mang lại chưa được như mong muốn. Lưới phân
phối với đặc điểm quy mô rộng lớn và rất phức tạp của các đường dây và
trạm, phụ tải đa dạng, mang tính ngẫu nhiên cao, biến đổi theo thời gian,
v..v... nên các phương pháp tính toán thông thường gặp nhiều khó khăn để
Khoa Điện – Đại học Bách Khoa Hà Nội
2
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Đào Bằng Giang – CH HTĐ
2006-2008
đưa ra những quy hoạch chính xác cho sự vận hành kinh tế lưới phân phối nói
chung và tính toán bù công suất phản kháng nhằm giảm tổn thất và nâng cao
chất lượng điện năng nói riêng. Đề tài “ Ứng dụng lý thuyết tập mờ giải quyết
bài toán tối ưu hóa bù công suất phản kháng trong lưới phân phối” ra đời
hứa hẹn khả năng mang lại những đóng góp hữu ích cho việc quy hoach, tính
toán thiết kế nhằm vận hành lưới phân phối một cách kinh tế nhất với lượng
giảm chi phí vận hành lớn nhất và chất lượng điện năng cao nhất.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu phương pháp tính toán sử dụng tụ điện tĩnh bù công suất
phản kháng trong lưới phân phối nhằm giảm thiểu tổn thất công suất tác dụng,
tổn thất điện năng và tổn thất điện áp trên lưới.
3. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:
Xây dựng và giải quyết bài toán tối ưu hóa vị trí và dung lượng của tụ
điện bù trong lưới phân phối trên cơ sở ứng dụng lý thuyết tập mờ nhằm mục

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ CÁC
PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA BÙ CÔNG SUẤT
PHẢN KHÁNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI.
Chương I đề cập đến một số vấn đề:
- Lưới phân phối
- Công suất phản kháng
- Các phụ tải điện
- Bù công suất phản kháng cho phụ tải
- Khái quát một số bài toán tối ưu hóa bù công suất phản kháng
trong lưới phân phối
1.1. Lưới phân phối
1.1. Vai trò của lưới phân phối
Lưới phân phối thực hiện nhiệm vụ phân phối điện cho một địa
phương (thành phố, quận, huyện …v..v), có bán kính cung cấp điện nhỏ
( thường dưới 50 km).
Lưới phân phối nhận điện từ các trạm phân phối khu vực, gồm:
- Lưới điện có các cấp điện áp 110/35 kV; 110/22 kV; 110/10
kV; 110/6 kV.
- Lưới điện có các cấp điện áp 35/22 kV; 35/10 kV; 35/6 kV
Khoa Điện – Đại học Bách Khoa Hà Nội
5
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Đào Bằng Giang – CH HTĐ
2006-2008
Phương thức cung cấp điện của lưới phân phối thường có hai dạng:
Phân phối theo một cấp điện áp trung áp và phân phối theo hai cấp điện áp
trung áp.
1.1.1. Phân phối theo một cấp điện áp trung áp (hình 1.1)
- Trạm nguồn có thể là trạm tăng áp của các nhà máy địa
phương hoặc trạm phân phối khu vực có các dạng CA/TA

2006-2008
- Trạm nguồn là trạm tăng áp của các nhà máy điện địa phương
hoặc trạm phân phối khu vực, thường có các dạng CA/TA
(110/35 kV) hoặc TA
1
/TA
2
(35/22-10-6 kV).
- Trạm phân phối trung gian có dạng TA
1
/TA
2
(35/22-10-6
kV).
- Trạm phân phối hạ áp có dạng TA/HA (22-10-6/0.4 kV).
Kết cấu lưới phân phối có ảnh hưởng rất lớn tới các chỉ tiêu kinh tế kỹ
thuật của toàn hệ thống điện như:
- Độ tin cậy cung cấp điện
- Độ dao động điện áp tại các hộ phụ tải
- Tổn thất điện năng: ở lưới phân phối thường có tổn thất điện
năng gấp 3 tới 4 lần ở lưới truyền tải
- Chi phí đầu tư xây dựng: chi phí đầu tư xây dựng ở lưới phân
phối thường từ 1.5 tới 2.5 lần so với lưới truyền tải
- Xác suất ngừng cung cấp điện: Xác suất ngừng cung cấp điện
ở lưới phân phối thường lớn hơn nhiều lần ở lưới truyền tải
do kết cấu lưới phân phối rất phức tạp.
1.2. Đặc điểm chung của lưới phân phối
Lưới phân phối có một số đặc điểm chung như sau:
- Phụ tải của lưới phân phối đa dạng và phức tạp.
- Lưới phân phối thường có dạng hinh tia. Chế độ vận hành

các loại tổn thất lớn, sự cố xảy ra nhiều.
Các thiết bị điện, phụ tải điện vận hành trên lưới chưa được quy định
chặt chẽ về các chỉ tiêu kỹ thuật ( các thông số kỹ thuật, hiệu suất, hệ số công
Khoa Điện – Đại học Bách Khoa Hà Nội
8
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Đào Bằng Giang – CH HTĐ
2006-2008
suất, chế độ làm việc, sóng hài, các chương trình quản lý, …v..v..) để đảm
bảo chất lượng lưới.
Các đường dây thường có khoảng cách lớn, mang tải lớn vượt quá khả
năng tải của cấp điện áp đang sử dụng.
Những đặc điểm nêu trên dẫn tới chất lượng cung cấp điện chưa cao,
chất lượng điện năng không đảm bảo: Độ sụt áp lớn, sóng hài cao, tổn thất
lớn, sự cố xảy ra nhiều.
Vì vậy việc nghiên cứu tổng thể về lưới phân phối hiện nay là rất cần
thiết, trong đó nghiên cứu việc bù công suất phản kháng để giảm tổn thất công
suất, giảm tổn thất điện năng, cải thiện điện áp, hệ số công suất, hạn chế các
dao động điện áp lớn và các nhiễu loạn trên lưới điện nhằm cải thiện chất
lượng cung cấp điện và tăng hiệu quả kinh tế, từ đó đưa ra những quy hoạch
phát triển chi tiết, tổng thể để đảm bảo và đáp ứng tốt tốc độ tăng trưởng kinh
tế là công việc đang được ngành điện quan tâm.
1.2. Công suất phản kháng
1.2.. Khái niệm công suất phản kháng
1.1.1. Công suất phản kháng của điện cảm
Trong mạch điện có tải là điện trở và điện cảm (hình 1.3) được cung
cấp bởi điện áp u = U
m
sin
ω
t, dòng điện i chậm pha sau so với điện áp u góc

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Đào Bằng Giang – CH HTĐ
2006-2008
Trong đó:
i
a
= I
m
cos
ϕ
.sin
ω
t
i
r
= - I
m
.sin
ϕ
.cos
ω
t = I
m
.sin
ϕ
.sin(
ω
t -
π
/2)
Có thể coi dòng điện i là tổng của hai thành phần:

0
>
ϕ
nên
0
>
Q
) gọi là công suất phản kháng của
điện cảm, đặc trưng cho cường độ của quá trình dao động năng lượng giữa
nguồn với từ trường của điện cảm.
Biểu diễn quan hệ P và Q
L
(hình 1.4):
Khoa Điện – Đại học Bách Khoa Hà Nội
0
>
ϕ
U

I

Hình 1.4. Quan hệ giữa P và Q ở mạch tải có tính điện cảm
IUS .
=
ϕ
cos..IUP
=
ϕ
sin..IUQ
L

a
+ i
r
Trong đó:
i
a
= I
m
.cos
ϕ
.sin
ω
t
i
r
= I
m
.sin
ϕ
.cos
ω
t = I
m
sin
ϕ
.sin(
ω
t +
π
/2)

i
Hình 1.5. Mạch điện với tải có tính điện dung
0
<
ϕ
U

I

Hình 1.6. Quan hệ giữa P và Q ở mạch tải có tính điện dung
IUS .
=
ϕ
cos..IUP
=
ϕ
sin.I.UQ
C
=
11
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Đào Bằng Giang – CH HTĐ
2006-2008
Công suất tương ứng với thành phần i
r
:
ϕ
sin..IUQ
C
=
, (với

1
ϕ
2
Hình 1.7. Sự giảm CSPK của mạch điện nhờ có Q
C
P
12
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Đào Bằng Giang – CH HTĐ
2006-2008
- Năng lượng điện từ là năng lượng phản kháng dương
- Năng lượng tĩnh điện là năng lượng phản kháng âm.
2.2.. Các nguồn phát công suất phản kháng
1.1. Máy điện đồng bộ
Trong hệ thống điện, các nguồn công suất phản kháng gồm có: Máy
điện đồng bộ (máy phát điện, máy bù, động cơ đồng bộ), tụ điện tĩnh và các
đường dây tải điện (đường dây có điện áp cao hoặc cáp điện).
Khả năng phát công suất phản kháng của nhà máy điện rất hạn chế do
cosϕ
đm
của máy phát thường không được thấp hơn 0.8. Vì lý do kinh tế người
ta hạn chế sử dụng các máy bù đồng bộ và động cơ điện đồng bộ. Chúng chỉ
sử dụng trong những trường hợp đặc biệt, không thể thay thế. Các máy điện
đồng bộ nói chung chỉ đáp ứng được một phần nhu cầu công suất phản kháng
của phụ tải (chủ yếu tập trung ở phía lưới truyền tải), phần còn lại do các tụ
điện tĩnh đảm trách. Các tụ điện tĩnh dùng làm nguồn phát công suất phản
kháng có thể được sử dụng ở cả phía lưới truyền tải và lưới phân phối.
1.2. Đường dây tải điện
Trong hệ thống điện có thể kể đến một nguồn công suất phản kháng
nữa đó là các đường dây, nhất là các đường dây siêu cao áp. Tuy nhiên, với
lưới phân phối, lưới có điện áp thấp, công suất phản kháng phát ra có số

khả năng thu nhận công suất phản kháng như máy bù đồng bộ.
- Công suất phản kháng do tụ điện phát ra phụ thuộc vào điện áp vận
hành. Tuổi thọ không cao, độ bền thấp, dễ hư hỏng (khi bị ngắn mạch, quá
áp).
Tuy nhiên, với sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật điều khiển, công
nghệ chế tạo vật liệu bán dẫn cùng các thiết bị điều khiển, điện tử công suất,
người ta đã chế tạo ra các thiết bị bù tĩnh có khả năng khắc phục các nhược
điểm của tụ điện nhưng giá thành còn khá cao nên chưa được sử dụng phổ
biến, đặc biệt ở lưới phân phối.
- Để điều chỉnh trơn dung lượng bù người ta dùng bù công suất phản
kháng có điều khiển SVC (Static Var Compensator).
Khoa Điện – Đại học Bách Khoa Hà Nội
14
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Đào Bằng Giang – CH HTĐ
2006-2008
- Để có thể phát hay nhận công suất phản kháng người ta dùng SVC
gồm tổ hợp TCR và TSC.
- Để bảo vệ quá áp và kết hợp điều chỉnh tụ bù theo điện áp, người ta
lắp đặt các bộ điều khiển để đóng cắt tụ theo điện áp.
1.3. Nhu cầu công suất phản kháng ở một số phụ tải điện
Các phụ tải điện có nhu cầu lớn về công suất phản kháng gồm có: động
cơ không đồng bộ, máy biến áp, trên đường dây tải điện và mọi nơi có từ
trường. Công suất phản kháng đóng vai trò tạo ra từ trường, yếu tố trung gian
cần thiết trong quá trình chuyển hoá biến đổi điện năng.
Nhu cầu công suất phản kháng của từng phụ tải điện trong tổng nhu cầu
công suất phản kháng của hệ thống có thể được phân chia một cách gần đúng
theo tỉ lệ:
- Động cơ không đồng bộ sử dụng từ 60 đến 65% tổng công suất phản
kháng của hệ thống.
- Máy biến áp sử dụng từ 22 đến 25% tổng công suất phản kháng của

Đa số các đèn huỳnh quang vận hành cần có một chấn lưu điện từ để
tạo điện áp mồi ban đầu cho đèn và hạn chế dòng điện trong quá trình đèn làm
việc bình thường. Với cấu tạo là cuộn dây – lõi thép, chấn lưu điện từ cần sử
dụng một lượng công suất phản kháng để từ hóa lõi thép, tạo ra từ trường biến
thiên. Tuỳ theo điện cảm của chấn lưu, hệ số công suất chưa được hiệu chỉnh
của chấn lưu vào khoảng 0,5.
1.4. Bù công suất phản kháng cho phụ tải
1.1. Bù công suất phản kháng
Khoa Điện – Đại học Bách Khoa Hà Nội
16
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Đào Bằng Giang – CH HTĐ
2006-2008
Các phụ tải dân dụng và công nghiệp phần lớn là có tính cảm kháng,
điện áp vượt trước dòng điện. Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện càng
lớn thì hệ số công suất
ϕ
cos
của lưới điện càng nhỏ.
Bù công suất phản kháng có mục tiêu là giảm bớt góc lệch pha giữa
dòng điện và điện áp. Với cùng một công suất tác dụng cung cấp cho phụ tải,
khi hệ số công suất
ϕ
cos
càng thấp dẫn đến công suất phản kháng truyền tải
trên đường dây để cung cấp cho phụ tải càng lớn, tạo ra tổn thất công suất tác
dụng và tổn thất năng lượng càng cao.
Bù công suất phản kháng có nghĩa là sử dụng các thiết bị có khả năng
phát công suất phản kháng đặt ở phía tải để đáp ứng trực tiếp nhu cầu công
suất phản kháng của phụ tải.
Trong lưới phân phối chủ yếu sử dụng tụ điện tĩnh mắc song song với

22
2
22
+
=∆
+
=∆
(1.1)
Giá trị hiệu dụng của tổn thất điện áp trên đường dây:
U
X.QR.P
U
+
=
∆
(1.2)
Sử dụng tụ điện tĩnh đặt ở phía tải, lượng công suất phản kháng do tụ
điện phát ra la là Q
bù
thì công suất phản kháng cần truyền tải trên đường dây
chỉ còn là (Q-Q
bù
) (Hình 1.9)
Tương tự, tổn thất công suất tác dụng và công suất phản kháng trên
đường dây sau khi đặt tụ bù đã được xác định:
X
U
QQP
Q
R

Q
∆
và tổn thất điện áp
U
∆
đã giảm đi so với khi chưa có tụ bù.
1.2. Các lợi ích khi thực hiện bù công suất phản kháng:
Khoa Điện – Đại học Bách Khoa Hà Nội
R + jX
P + j(Q-Q
bù
)
P + jQ
Q
bù
Hình 1.9. Lưới điện đã đặt tụ bù
18
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Đào Bằng Giang – CH HTĐ
2006-2008
- Giảm được công suất tác dụng yêu cầu ở chế độ max (công
suất đỉnh) của hệ thống điện, do giảm được tổn thất công suất
tác dụng trong quá trình truyền tải. Vì vậy, dự trữ công suất
tác dụng giảm đi và độ tin cậy của hệ thống điện tăng lên.
- Giảm tải cho các máy biến áp trung gian và các đường dây
trung áp do giảm lượng công suất phản kháng phải truyền tải.
Hiệu quả mang lại cho ngành Điện rất lớn, đó khả năng trì
hoãn việc cải tạo lưới, nâng dung lượng máy biến áp, tăng tiết
diện dây dẫn dẫn đến giảm nhẹ áp lực về vốn đầu tư.
- Giảm được tổn thất điện năng
- Cải thiện chất lượng điện áp cung cấp cho các phụ tải

K
- giá của một đơn vị công suất tổn thất (USD/kW/năm)
k,...,2,1j
=
- chỉ số của các nút được lựa chọn để bù.
∑
−
=
+
=
1m
0i
)1i,i.(lossloss
PP
- Tổng tổn thất công suất tác dụng trong lưới.
( )
2
1i,ii1i1i,i)1i,i.(loss
y.VVRP
++++
−=
- Tổn thất công suất tác dụng trên
đường dây nối giữa nút i và nút i+1
( )
1i,i1i,i
1i,i
jXR
1
y
++

- chỉ số của các nút lưới
min
V
,
max
V
- tương ứng là giới hạn dưới và giới hạn trên của dải điện
áp cho phép.
Cũng tương tự như Chin và Lin, nhưng Salama và Chikhani [10] có
những điểm khác trong xây dựng hàm mục tiêu:
Hàm mục tiêu:
C.KP.KE.KS
CLOSSPLOSSE
−+=
∆∆∆
(1.7)
Khoa Điện – Đại học Bách Khoa Hà Nội
20