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

NGUYỄN QUANG HUY

NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC THUẬT TOÁN
BÙ TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
HỆ THỐNG ĐIỆN

Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ VIỆT TIẾN

Hà Nội: 2014


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn này do chính bản thân tôi nghiên cứu, tính
toán và phân tích.
Số liệu đưa ra trong luận văn dựa trên kết quả tính toán trung thực của tôi, không
sao chép của ai hay số liệu đã được công bố.
Nếu sai với lời cam kết trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Tác giả

Nguyễn Quang Huy

2


MỤC LỤC

2.2.2. Thuật toán tính bù CSPK theo điều kiện cực tiểu tổn thất công suất ........16
2.2.2.1. Phân phối dung lượng bù trong mạng hình tia ........................ 16
2.2.2.2. Phân phối dung lượng bù trong mạng phân nhánh ................. 19
2.2.3. Thuật toán bù công suất phản kháng theo điều kiện điều chỉnh điện áp ..19
2.2.3.1. Xác định dung lượng bù CSPK khi đặt thiết bị bù tại 1 trạm .. 19
3


2.2.3.2. Xác định dung lượng bù CSPK khi đặt thiết bị bù tại nhiều
trạm..................................................................................................... 24
2.2.4. Thuật toán tính toán bù theo chương trình PSS/Adept ...............................27
2.2.4.1. Phương pháp tính kinh tế trong bù tối ưu ................................. 27
2.2.4.2. Thuật toán tìm vị trí đặt tụ bù tối ưu ......................................... 28
2.3. Kết chương ......................................................................................................31

CHƯƠNG 3 - TỔNG QUAN LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP CÔNG TY ĐIỆN LỰC
SÓC SƠN ............................................................................................................33
3.1. Đặc điểm tự nhiên và kinh tế - xã hội của địa phương ...............................33
3.1.1. Đặc điểm tự nhiên và kinh tế ........................................................................33
3.1.2. Dân số và cơ cấu hành chính .......................................................................33
3.2. Tình hình cung cấp điện hiện tại và xu hướng tăng trưởng trong những năm
tới .....................................................................................................................35
3.3. Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế lộ đường dây 478-E19 ..........................37
3.4. Các số liệu tính toán .......................................................................................40
3.5. Kết chương ......................................................................................................48

CHƯƠNG 4 - TÍNH TOÁN BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO LỘ
ĐƯỜNG DÂY 478-E19 BẰNG PHẦN MỀM PSS/ADEPT ...........................49
4.1. Một số chức năng tính toán của phần mềm PSS/ADEPT ..........................49
4.2. Cách bước tính CAPO trong PSS/ADEPT ..................................................51


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

LĐPP:

Lưới điện 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.

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Số đường dây do điện lực quản lý
Bảng 3.2. Số liệu máy biến áp lộ 478-E19
Bảng 3.3. Số liệu đường dây lộ 478-E19
Bảng 3.4: Số liệu phụ tải các trạm lộ 478-E19
Bảng 3.5: Bảng tính toán dòng công suất trên lưới
Bảng 3.6: Bảng tính toán tổn thất lộ 478- E19 khi chưa đặt bù
Bảng 3.7: Dung lượng tụ bù theo chỉ tiêu kinh tế tại các nút trên lưới
Bảng 3.8: Bảng tính toán tổn thất lộ 478-E19 khi đặt bù
Bảng 3.9: Bảng so sánh kết quả khi đặt bù
Bảng 4.1. Bảng giá trị suất đầu tư tụ bù trung áp cố định
Bảng 4.2.Giá trị cài đặt cho thẻ Economics
Bảng 4.3. Vị trí và dung lượng bù ở lưới trung áp theo phần mềm PSS/Adept
Bảng 4.4: So sánh kết quả tại một số nút trong các trường hợp
Bảng 4.5: So sánh kết quả trong các trường hợp đặt bù

7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Thuật toán xác định vị trí nút bù CSPK
Hình 1.2: Phụ tải tăng giữ nguyên cos
Hình 1.3: Quan hệ giữa P, P, 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
Hình 2.6: Mạng điện có đặt bù tụ điện tại hai trạm biến áp Tb và Tc
Hình 2.7: Điều chỉnh điện áp trong mạng điện kín bằng tụ điện


2. Tên đề tài: Nghiên cứu và đánh giá các thuật toán bù tối ưu công suất
phản kháng
3. Tóm tắt nội dung luận văn
Chương 1. Tổng quan về công suất phản kháng trong lưới điện
phân phối
Chương 2. Các thuật toán bù tối ưu công suất phản kháng
Chương 3. Tổng quang lưới điện trung áp Công ty điện lực Sóc
Sơn
Chương 4. Tính toán bù công suất phản kháng cho lộ đường dây
478-E19 bằng phần mềm PSS/Adept.
Chương 5. Kết luận và kiến nghị
4. Mục đích của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

9


Đề tài “ Nghiên cứu áp dụng các thuật toán tính bù tối ưu công suất phản kháng
để giảm tổn thất điện năng trong lưới điện phân phối” trình bày các thuật toán bù tối ưu
công suất phản kháng trong lưới điện phân phối.
Đề tài tiến hành nghiên cứu một số thuật toán của các tác giả đã được đăng trên
các tạp chí và luận văn đã hoàn thành trước. Trên cơ sở đó đánh giá được các ưu nhược
điểm của thuật toán.
Áp dụng mô phỏng một lưới điện cụ thể bằng phần mềm PSS/Adept 5.0 ứng
dụng cho lưới điện phân phối của công ty Điện lực Sóc Sơn – tổng công ty Điện lực Hà
Nội.

5. Các phương pháp luận cơ bản và đóng góp mới
Với mục đích như trên nội dung cơ bản của luận văn bao gồm:
 Tìm hiểu các thuật toán bù tối ưu CSPK

1.1.2. Đặc điểm chung của lưới điện phân phối
Nguồn cấp điện chính cho lưới điện phân phối (LĐPP) là từ thanh cái phía

trung áp của các trạm 110kV.
Lưới điện phân phối gồm 2 phần: Lưới phân phối trung áp và lưới phân phối
hạ áp. LĐPP phân bố trên diện rộng, thường vận hành không đối xứng và có tổn
thất khá lớn, LĐPP thường có cấu trúc kín nhưng vận hành hở, hình tia hoặc dạng
xương cá. Khi sự cố phần lưới sau máy cắt gần điểm sự cố nhất về phía nguồn bị cắt
điện, sau khi cô lập đoạn lưới sự cố, phần còn lại sẽ được đóng điện để vận hành.
LĐPP rất quang trọng trong việc cung cấp điện đầy đủ cho phụ tải do đó việc
nghiên cứu, thiết kế và vận hành hệ thống LĐPP hết sức quan trọng. Do đó phải
đảm bảo được những yêu cầu cơ bản nhất đó là:
- Đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện
- Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị
- Vận hành linh hoạt, dễ dàng bảo dưỡng và sửa chữa
- Có khả năng mở rộng trong tương lai
- Có tính kinh tế
1.2.

Các biện pháp nâng cao hiệu quả kinh tế vận hành

LĐPP ảnh hưởng lớn đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của hệ thống điện do
đó việc nâng cao hiệu quả vận hành và cải thiện LĐPP rất quan trọng. Các biện
11


pháp nâng cao này hầu hết nhằm mục đích giảm chỉ tiêu tổn thất công suất, tổn thất
điện năng. Để có thể giải quyết được các vấn đề kinh tế kỹ thuật trong LĐPP,
thường có các bài toán điển hình:
- Bài toán tối ưu hóa cấu trúc sơ đồ lưới



1.3.2. Sự tiêu thụ công suất phản kháng
Trên lưới điện, CSPK thường được tiêu thụ ở các động cơ không đồng bộ,

máy biến áp, kháng điện trên đường dây và ở các thiết bị có liên quan đến từ trường.
Yêu cầu về CSPK chỉ có thể giảm đến tối thiểu chứ không thể triệt tiêu được
vì nó cần thiết để tảo ra từ trường, yếu tố trung gian trong quá trình chuyển hóa điện
năng.
1.4.

Các nguồn phát công suất phản kháng trên lưới điện

Khả năng phát CSPK của các nhà máy điện là rất hạn chế do hệ số công suất
của các nhà máy khá cao, hơn nữa vì lý do kinh tế nên người ta không thể chế tạo
các máy phát có khả năng phát nhiều CSPK cho phụ tải. Các máy phát chỉ có thể
đảm đương một phần nhu cầu CSPK của phụ tải, phần còn lại do các thiết bị bù đảm
trách (máy bù đồng bộ, tụ điện).
Ngoài ra trong hệ thống điện, một nguồn pháp CSPK khác đó là các đường
dây tải điện, đặc biệt là đường dây siêu cao áp. Tuy nhiên ở đây ta chỉ xét đến lưới
phân phối, do vậy chỉ lưu ý đến các trường hợp đường dây trung áp, ở các đường
dây này CSPK phát ra từ các phần tử cũng không đáng kể nên nguồn phát CSPK
chính trong lưới phân phối vẫn là tụ điện và máy bù.
1.5.

Kết chương

LĐPP cung cấp điện năng trực tiếp cho phụ tải và phải yêu cầu đảm bảo chất
lượng điện năng cho khách hàng. LĐPP có nhiều ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế
kỹ thuật của hệ thống điện, nên việc nghiên cứu thiết kế, vận hành tố ưu LĐPP sẽ

- Cải thiện hệ số công suất.
- Giảm tổn thất điện năng (tổn thất đồng).
- Giảm độ sụt áp và cải thiện việc điều chỉnh điện áp.
- Giảm công suất trên các xuất tuyến và các phần tử liên quan.
- Trì hoãn hoặc giảm bới chi phí mở rộng nâng cấp lưới điện.
- Tăng lợi nhuận.
2.1.1. Bù CSPK sẽ làm giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng
Từ công thức tính tổn thất công suất:

(2.1)
Ta thấy tổn thất công suất tác dụng tỷ lệ thuận với bình phương công suất phản
kháng truyền tải. Sau khi bù thì lượng CSPK thực tế phải truyền tải là ( Q - Qb ) < Q do
đó P (sau bù) < P.

14


2.1.2. Bù công suất làm cải thiện chất lượng điện áp
Ta biết:
(2.2)
Ta thấy thành phần tổn thất Ux tỷ lệ thuận với công suất phản kháng, khi giảm
tổn thất điện áp vì vậy điện áp sẽ được nâng lên.
2.1.3. Bù CSPK làm tiết diện dây dẫn giảm
Công suất truyền tải trên đường dây theo biểu thức:
(2.3)
Khi bù một lượng công suất phản kháng là Qb thì biểu thức (1.3) trở thành:
(2.4)
Nhìn vảo biểu thức trên ta thấy S giảm đi nghĩa là công suất toàn phần giảm đi,
vì vậy mà chọn tiết diện dây dẫn theo công suất tải nhỏ đi – tiết kiệm được một lượng
kim loại màu đáng kể và dễ thi công, lắp đặt đường dây.

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 toán bù CSPK trong lưới điện đều có
dạng và hiệu quả khác nhau. Sau đây trình bày một số phương pháp tính toán bù CSPK
cho lưới phân phối.
2.2.1. Xác định dung lượng bù CSPK để nâng cao hệ số công suất cosφ
Giả sử hộ tiêu thụ điện có hệ số công suất là cos1, muốn nâng hệ số công suất
này lên cos2 (cos2 > cos1), thì phải đặt dung lượng bù là bao nhiêu?
Với dạng bài toán này thì dung lượng bù được xác định theo công thức sau:
Qbu = P(tg1 - tg2 ) α kVAr

(2.5)

Trong đó: P – phụ tải tính toán của hộ tiêu thụ điện, kW;
α = 0,9 ÷ 1 – hệ số xét tới khả năng nâng cao cosφ bằng những phương
pháp không đòi hỏi đặt thiết bị bù.
Hệ số công suất cos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 = 0,8 – 0,95.
2.2.2. Thuật toán tính bù CSPK theo điều kiện cực tiểu tổn thất công suất
2.2.2.1.

Phân phối dung lượng bù trong mạng hình tia

Bài toán đặt ra là trong một mạng hình tia có n nhánh, tổng dung lượng bù là
Qbu, hãy phân phối dung lượng bù trên các nhánh sao cho tổn thất CSTD do CSPK

16




2

U2

r1 +

 Q2 - Qbu 2 

2

U2

r2

Q - Q 
+ . . . + n bu n
U2

2

rn

= f(Qbu 1,Qbu 2,…,Qbu n)

(2.6)

Với điều kiện ràng buộc về cân bằng công suất bù là
φ(Qbu 1, Qbu 2…Qbu n) = Qbu 1 + Qbu 2 +…+ Qbu n - Qbu = 0
Để tìm cực tiểu của hàm ∆P = f(Qbu 1,Qbu 2,…,Qbu n) chúng ta có thể dùng phương

=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

(2.9)

Giải hệ phương trình (2.9) chúng ta có
1
1
1
+...+ 
L = [(Q1,Q2,…,Qn) - (Qbù 1,Qbù 2,…,Qbù n)].  +
r2
rn 
 r1
n


rn 
 r1

-1

– Điện trở tương đương của những nhánh có đặt thiết bị

bù của mạng.
Vậy có thể viết:

L = (Q - Qbù)Rtd.

(2.11)

Thay L vào hệ phương trình (2.9), chúng ta tìm được dung lượng bù tối ưu của
các nhánh là:
(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

1

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

Q23
r23

2

r12

r01
r1
Q1

(2.13)

rn

4

r34

r2
Q2

Q34

3


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 Qbù thì phụ tải mạng sẽ là:
.

S'b = pb + j(q b - Qbu )

(2.14)

Ta có:
.

.

U A = U b(yc) + (u +j  u) =

 p b X - (q b - Q bu )R 
p R + (q b - Qbu )X 
=  U b(yc) + b
 + j

U b(yc)
U b(yc)



U b(yc)
U b(yc)





2

U 2b(yc) - U A2 + 2p b R + 2q b X - 2Q bu X +
+


2
p 2b R 2 + 2p b R(q b - Q bu )X + (q b2 - 2q b Q bu + Q bu
)X 2
U 2b(yc)
2
p 2b X 2 - 2p b R(q b - Q bu )X + (q b2 - 2q b Q bu + Q bu
)R 2
=0
U 2b(yc)

20

2


U



 



  = 0

2
2
2
 Z2 

Z2 q b   Z q b + p b
Q  2  - 2 Q bu  X + 2  + 
 U b(yc) 

U b(yc)  
U 2b(yc)




2
+ 2(p b R + q b X) + U b(yc)
- U A2 = 0
2
bu




(2.16)

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

U A = U b(yc) +

pb R + (q b - Qbu )X
U b(yc)

(2.17)

Vậy công suất cần phải bù là:

Qbu =

U b(yc) (U b(yc) - UA ) + pb R + q b X
X
21

(2.18)


Nếu UA chưa biết mà chỉ biết có điện áp Ub ở cuối đường dây, ta sẽ tiến hành như
sau:


Giải ra ta có:

Qbu X
p R + qb X
p R + qb X
= U b(yc) - Ub + b
- b
U b(yc)
U b(yc)
Ub

(2.22)

Do Ub(yc) gần bằng Ub nên gần đúng coi tổn thất điện áp do Ub(yc) và Ub như nhau:

pb R + q b X
p R + qb X
= b
U b(yc)
Ub

(2.23)

Phương trình trên viết đơn giản như sau:

Qbu X
= U b(yc) - U b
U b(yc)

(2.24)

không nên dùng.
Chú ý: Trong biểu thức tính Qbù ở trên, phải tính ở cùng một cấp điện áp. Ví dụ
nếu Ub, Ub(yc) là điện áp thực tế bên hạ áp thì X cũng phải quy đổi về bên hạ áp. Và xét
R, X là điện trở và điện kháng đẳng trị từ nguồn đến nơi đặt thiết bị bù.
+ Mạng hở phân nhánh (hình 2-4): Nếu muốn tìm dung lượng bù đặt tại thanh cái
hạ áp C của trạm biến áp B2 thì trong biểu thức (2.12) trị số của X sẽ bằng:
X = Xl1 + Xl2 + XB2
B

C

l2

A
l1

B2
B1
l3
B3

Hình 2-4: Sơ đồ mạng điện có phân nhánh
+ Mạng kín phức tạp (hình 2-5):
Ví dụ: Điện áp tại thanh cái hạ áp b cần phải thay đổi, để xác định công suất bù tại
b ta phải biến đổi mạng điện đó và đưa nó về dạng 1 đường dây nối từ A đến b (hình
2-5b)
Tổng trở đẳng trị của mạng cao áp là (3 đường dây song song):

Zdt =


A

B

1

2

Qbù b + Qbù c

Qbù c

C
Sc
TC
Qbù c

Tb
b
Sb

Qbù

Hình 2-6: Mạng điện có đặt bù tụ điện tại hai trạm biến áp Tb và Tc

24


Gọi U’b, U’c, U’b(yc) và U’c(yc) là những điện áp bên thứ cấp (bên hạ áp) đã qui đổi
về bên cao áp:

(Qbu.b + Qbu.c )X1
Q X
+ bu.b' Tb
U B(yc)
U b(yc)

Uob =

(2.33)

- Đối với mạch ABc có:

Uoc =

(Qbu.b + Qbu.c )X1
Q (X + XTc )
+ bu.c ' 2
U B(yc)
Uc(yc)

(2.34)

Trong đó:
+ X1, X2 là điện kháng của dây dẫn trên đoạn 1 và 2
+ XTb, XTc là điện kháng của máy biến áp của trạm b và c
+ UB(yc) là điện áp yêu cầu tại điểm B của mạng điện. Điện áp này chưa
biết, nhưng với sai số không lớn, điện áp này có thể tính như sau:

U B(yc)
UB