Bộ giáo dục và đào tạo
đại học thái nguyên
TRNG đại học kỹ thuật công nghiệp DNG hòa an
Vấn đề cos, bù công suất phản kháng và thị
TRNG điện năng phản kháng Chuyên ngành: thiết bị mạng và hệ thống điện
Luận văn thạc sỹ khoa học kỹ thuật
Ngi hng dn khoa hc: PGS.TS. Phạm Văn Hòa
Thái nguyên năm 2008
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2
LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với quá trình phát triển kinh tế xã hội của đất nƣớc, ngành điện luôn phải đi
trƣớc một bƣớc trong công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hóa. Các nhà máy xí
nghiệp, các khu công nghiệp ngày càng phát triển nhanh chóng đòi hỏi tiêu thụ công
suất phản kháng càng tăng, điều này làm giảm hệ số cos , giảm chất lƣợng điện
năng, tăng tổn thất.Vì vậy các hộ tiêu thụ điện bị áp dụng bảng giá phạt đối khi có hệ
số cos thấp.
Nội dung của luận văn gồm hai vấn đề chính :
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4
Mục lục
Lời Cam đoan………………………………………….…….………………...1
Lời nói đầu:………………………………………………….…………...……2
Mục Lục:……………………………………………………….…….…..……4
Chƣơng I: TỔNG QUAN..…………………………………………...………..7
1.1Vấn đề bù công suất phản kháng trong hệ thống điện:……….……...…7
1.2 Nguồn công suất phản kháng :……………………………………...… 8
1.3.Bù kinh tế công suất phản kháng:…………………..……………….…9
1.4. Phân tích ảnh hƣởng của tụ bù đến tổn thất công suất tác dụng và tổn thất
điện năng ở lƣới phân phối :……………………..…..…………....…..10
1.4.1 lưới phân phối một phụ tải:…………………………….………………10
1.4.2 Lưới phân phối có phụ tải phân bố đều trên trục chính….…………14
1.5 Một Số phƣơng pháp tính bù công suất phản kháng : …………….......16
………………………………………………………………………………..43
2.1.5 Một số giả thiết khi tính toán tối ưu công suất bù:…………………..44
2.2 Phƣơng pháp giải bài toán bù công suất phản kháng………………….44
2.2.1 Tổng quan…………………………………………………………………44
2.2.2. Thuật toán giải bài toán bù công suất phản kháng bằng phương pháp quy
hoạch động:………….………………………………………………45
2.2.3 Xét đến rằng buộc về điện áp:……………………………….…………48
2.2.4.Hình thức hoá thuật toán và sơ đồ khối…………………….…………48
2.2.6 Các số liệu cần đưa vào tính toán:………………………….…………50
2.2.7 Ví dụ áp dụng ……………………………………………….……………51
2.3. Chƣơng trình máy tính và sử dụng chƣơng trình ..…………………..53
Chƣơng III- T ÍNH TOÁN ÁP DỤNG :……………..……………….…..…..58
3.1 Sơ đồ lộ 677: ..........................................................................................58
3.2 Các Số liêu Tính toán:............................................................................59
3.3 Kết quả tính toán ứng với chế độ phụ tải cực đại:……………………..61
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6
3.4 Phân tích kinh tế tài chính và đánh giá hiệu quả kinh tế bù công suất phản
kháng...............................................................................................................65
Chƣơng 4: THỊ TRƢỜNG ĐIỆN NĂNG PHẢN KHÁNG...............................69
4.1Thị trƣờng điện năng phản kháng ở việt Nam:..........................................69
4.1.1 Phân tích mô hình kinh doanh điện năng phản kháng hiện tại
ở Việt Nam:................................................................................................69
4.1.2 Phương pháp xác định tiền mua công suất phản kháng:..................70
4.2 Các mô hình kinh doanh điện năng có thể đƣợc áp dụng:......................74
4.3 Ví dụ áp dụng:……………….......……………………....………….….80
Chƣơng V : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………………..…....……….........84
5.1 Kết luận : ...............................................................................................84
5.2 Kiến nghị:...............................................................................................84
không triệt tiêu đƣợc vì nó cần thiết để tạo ra từ trƣờng, yếu tố trung gian trong quá
trình chuyển hóa điện năng. yêu cầu công suất phản kháng đƣợc phân chia nhƣ sau:
- Động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 70-80%.
- Máy biến áp tiêu thụ 25-15%.
- Đƣờng dây tải điện và các phụ tải khác 5%.
Khả năng phát công suất phản kháng của các nhà máy điện rất hạn chế,
cos = 0,8-0,85. Các máy phát chỉ đảm đƣơng một phần yêu cầu công suất phản
kháng của phụ tải. Phần còn lại trông vào các nguồn công suất phản kháng đặt thêm
tức là nguồn công suất bù.
Có 2 con đƣờng để đảm bảo cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống điện :
(1) - Cƣỡng bức phụ tải mà chủ yếu là các xí nghiệp công nghiệp phải đảm
bảo cos của họ ở mức cho phép. Cách này nhằm giảm yêu cầu công suất phản
kháng.
(2)- Đặt bù công suất phản kháng trong hệ thống điện để giải quyết phần thiếu
còn lại.
Tóm lại trong hệ thống điện phải bù cƣỡng bức hay bù kỹ thuật một lƣợng công suất
phản kháng nhất định để đảm bảo cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống
điện.
Hệ thống điện thiếu công suất phản kháng thì việc bù kỹ thuật là bắt buộc, gọi là bù
cƣỡng bức.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
8
Sau khi bù cƣỡng bức, một lƣợng công suất phản kháng đáng kể vẫn lƣu thông qua
lƣới phân phối trung áp gây ra tổn thất công suất tác dụng và tổn thất điện năng khá
lớn.
Để giảm tổn thất này có thể thực hiện bù kinh tế.
Bù kinh tế chỉ đƣợc thực hiện khi nó thực sự mang lại lợi ích, nghĩa là lợi ích kinh tế
mà nó mang lại phải lớn hơn chi phí vận hành và lắp đặt trạm bù.
Trong các xí nghiệp công nghiệp lƣợng công suất phản kháng phải bù cƣỡng bức để
- Chi phí theo 1 Var theo tụ là rẻ hơn so với máy bù đồng bộ.
- Làm việc êm, tin cậy do kết cấu đơn giản.
- Tuổi thọ cao.
- Tiêu thụ tốn suất tác dụng ít.
- Lắp đặt và vận hành đơn giản .
Tuy vậy tụ điện cũng có nhƣợc điểm so với máy bù đồng bộ :
- Máy bù đồng bộ có thể điều chỉnh trơn công suất phản kháng còn tụ điện điều
chỉnh theo từng cấp.
- Máy bù đồng bộ có thể phát ra hay tiêu thụ công suất phản kháng còn tụ điện
chỉ có thể phát công suất phản kháng .
- Công suất phản kháng do tụ điện phát ra phụ thuộc vào điện áp vận hành, dễ
hƣ hỏng ngắn mạch.
Để bảo vệ quá điện áp và kết hợp điều chỉnh tụ bù theo điện áp, ngƣời ta thƣờng lắp
đặt các bộ điều khiển để đóng cắt tụ theo điện áp. Từ các ƣu điểm trên ngày nay
thƣờng dùng tụ điện tĩnh để bù công suất phản kháng.
1.3.Bù kinh tế công suất phản kháng:
1.3.1 Tổn thất công suất và tổn thất điện năng :
Bù kinh tế là phƣơng pháp giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng hiệu
quả. Tổn thất gồm hai loại :
+ Tổn thất kỹ thuật là tổn thất sinh ra do tính chất vật lý của quá trình tải điện, tổn
thất này phụ thuộc vào tính chất của dây dẫn và vật liệu cách điện, điều kiện môi
trƣờng, dòng điện và điện áp.
Tổn thất kỹ thuật chia làm 2 loại :
- Tổn thất phụ thuộc vào dòng điện: Sinh ra do sự phát nóng trên điện trở của máy
phát, máy biến áp và dây dẫn. Thành phần này là tổn thất chính.
-Tổn thất phụ thuộc vào điện áp gồm có: tổn thất trong lõi thép của máy biến áp, tổn
thất do rò điện, do vầng quang.
Tổn thất kỹ thuật không triệt tiêu đƣợc mà chỉ có thể hạn chế ở mức độ cho phép.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
11
1.4. Phân tích ảnh hƣởng của tụ bù đến tổn thất công suất tác dụng và tổn thất
điện năng ở lƣới phân phối :
1.4.1 lưới phân phối một phụ tải:
Xét lƣới phân phối theo hình 1.2 a công suất phản kháng yêu cầu max là Q
max
, Công suất bù là Q
bù
đồ thị kéo dài của công suất phản kháng yêu cầu là q(t), đồ thị
kéo dài của công suất phản kháng sau khi bù là : q
b
(t)= q(t)- Q
b
-Trên hình 2.1 b : q
b1
(t) ứng với Q
b
=Q
min
.
-Trên hình 2.1 c : q
b2
(t) ứng với Q
b
=Q
tb
.
-Trên hình 2.1 d : q
max
( hình 1.2 d) thì trong các chế độ trừ chế độ max, công
suất bù thừa cho phụ tải và đi ngƣợc về nguồn. Công suất phản kháng yêu cầu ở chế
độ max đƣợc triệt tiêu hoàn toàn, cho lợi ích lớn nhất về độ giảm yêu cầu công suất
phản kháng và tổn thất công suất tác dụng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
12 a)
Hình 1.2
Về mặt tổn thất điện năng hai trƣờng trƣờng hợp này giống nhau hoàn toàn, ta
thấy đồ thị công suất phản kháng của chúng có dạng giống nhau chỉ ngƣợc dấu mà
thôi.
Trong trƣờng hợp Q
Q
min
+
0 t 0
t
b) T c)
q
b2
(t) -
T
Q
max
Q
b
=Q
max Q
mind) 0
q
b
=Q
max
cho độ giảm tổn thất công suất tác dụng và độ giảm yêu cầu công suất
phản kháng ở chế độ max lớn nhất.
-Q
b
=Q
tb
cho độ giảm tổn thất điện năng lớn nhất. Kết luận này là tổng quát đúng cho
mọi cấu trúc lƣới phân phối.
Nếu xét đồng thời cho cả hai yếu tố thì công suất bù tối ƣu sẽ phải nằm đâu đó giữa
Q
min
và Q
tb
.
Các nhận xét trực quan trên đây sẽ đƣợc lƣợng hóa chính xác dƣới đây để phục vụ
giải bài toán bù sau này.
Tổn thất công suất tác dụng do công suất phản kháng q(t) gây ra là:
R
U
tq
P
2
2
)(
[ KW, MVAr, ,KV] U là điện áp định mức của lƣới điện.
Sau khi bù:
R
thống khi mà nguồn công suất tác dụng bị căng thẳng, lúc đó q(t)=Q
max
và:
R
U
QQtQ
DP
bb
2
2
max
).(.2
(1.2)
Ta dễ thấy DP sẽ lớn nhất khi Q
b
=Q
max.
R
U
Q
DP
2
max
2
maxSố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
14
Qdttq
T
)(
1
và K
sdq
=Q
tb
/Q
max
.
Lấy đạo hàm riêng của 1.3 theo Q
b
, đặt =0 rồi giải ta đƣợc giá trị của Q
b
cho độ giảm
tổn thất điện năng lớn nhất:
0
2.2
2
R
U
QTQ
Q
DA
btb
b
rút ra Q
bopt
=Q
Hình 1.3
Q
N
0 B C A
L 0 r
0
[ /km] q
0
[KVAr/km]
L[km]
Q
b
l
b
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
15
Trong trƣờng hợp này có vấn đề là địa điểm đặt bù nên ở đâu để có hiệu quả
bù là lớn nhất. Còn vấn đề giá trị công suất bù đã đƣợc giải quyết ở phần trên và vẫn
đúng cho trƣờng hợp này.
Giả thiết rằng chỉ đạt bù tại 1 điểm và phải tìm điểm đạt tối ƣu sao cho với công suất
bù nhỏ nhất đạt hiệu quả lớn nhất.
0
Dễ ràng nhận thấy rằng muốn tổn thất công suất tác dụng và tổn thất điện năng sau
khi bù là nhỏ nhất thì trạm bù phải đặt ở chính giữa đoạn c, công suất phản kháng
của tụ sẽ chia đều về 2 phía có độ dài (L-l
x
)/2 và công suất phản kháng Q
b
/2. Vị trí
bù sẽ là:
l
b
= l
x
+ (L-l
x
)/2=(L+l
x
)/2
Tổn thất công suất tác dụng trên đoạn l
x
là:
2
0
2
0
3
2
0
2
0
rqlL
U
rlL
qlLP
xx
xb
Tổn thất công suất tác dụng sau khi bù là:
..3].4/)([
.12
)().3/(..
23
32
00
2
2
0
3
0
2
0
23
2
UlLlqr
U
q
lLrUrqlPPP
xxxoxbN
Độ giảm tổn thất công suất tác dụng do bù là:
rồi đặt =0 và giải ta đƣợc l
xop
.
0]4/)(3.3[
.3
.
2
2
2
0
2
0
xx
x
lLl
U
rq
l
DP
3
L
l
bop
Từ đây ta có vị trí bù tối ƣu
3
2L
l
xop
Hoặc tổng dung lƣợng (Tụ cố định +tụ đóng cắt) là dung lƣợng cần thiết để nâng
điện áp điểm nhận đến cực đại ở chế độ 50% tải đỉnh.
*Kiểm tra điều kiện điện áp:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
17
Điện áp đặt đƣợc không vƣợt quá ở chế độ tải cực tiểu.
Khi có biểu đồ công suất phản kháng của phụ tải có thể xác định dễ dàng dung
lƣợng tụ bù theo phƣơng pháp này. Đây cũng là phƣơng pháp đơn giản để xác định
dung lƣợng tụ đóng cắt trên lƣới nhằm đảm bảo cho điều kiện về độ chênh lệch điện
áp tại hộ dùng điện. Tuy nhiên phƣơng pháp này chỉ cho phép xác định khoảng thời
gian cụm tụ đóng vào hoặc cắt ra khỏi lƣới do đó độ chính xác không cao, nó phụ
thuộc vào việc lấy số liệu ban đầu trong đó yêu cầu độ chính xác là tƣơng đối cao.
Hình dƣới đây cho cách xác định dung lƣợng tụ bù đáp ứng nhu cầu công suất phản
kháng .
*Ƣu điểm: đơn giản, dễ áp dụng.
*Nhƣợc điểm:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
18
- Phải có biểu đồ công suất phản kháng của phụ tải, đây là điều khó khăn bởi các
trạm phân phối chiếm tải trọng lớn trong tổng số trạm biến áp mà lại chƣa có các
đồng hồ điện tử, các đồng hồ cảm ứng không đáp ứng đƣợc các yêu cầu số liệu,
không có ngƣời trực tiếp để ghi thông số theo giờ, do đó cần phải có thời gian dài để
theo dõi nắm quy luật dẫn đến độ chính xác không cao.
-Phụ tải phải có quy luật tƣơng đối ổn định, các phụ tải trong mạng lƣới tƣơng đối
đồng nhất, điều này khó xẩy ra trong thực tế.
-Chƣa tính đến khả năng điều áp của các MBA có điều áp dƣới tải nên có thể gây
quá áp ở các giờ thấp điểm (non tải).
b
). Q
b
[KW] (1.8)
Trong đó:
K
kt
Đƣơng lƣợng kinh tế của công suất phản kháng, KW/KVAr (là lƣợng
công suất tác dụng (KW) tiết kiệm đƣợc khi bù 1 KVAr.
)2(
2
Q
Q
U
QR
Q
DP
K
b
b
p
kt
(1.9)
DP
p
– lƣợng giảm tổn thất công suất tác dụng do công suất phản kháng gây ra khi
đặt một đơn vị công suất bù.
KW/KVAr.
Q- Công suất phản kháng hộ tiêu thụ, KVAr.
Nếu Q
=0,003 0,005 kW/KVAr.
Nhƣ vậy DP=f(Q
b
), từ đó có thể tìm đƣợc dung lƣợng bù tối ƣu ứng với DP cực đại
là:
bbopt
k
R
U
QQ
2
2
[KVAr] (1.11)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
20
Từ công thức 1.9 rút ra thành phần U
2
/(2R) và thay vào công thức trên ta đƣợc:
)1(
kt
b
bopt
k
k
QQ
[KVAr] (1.12)
Q
bopt
2
22
10..
i
i
ii
i
R
U
QP
P
[KW] (1.13)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
21
3
2
22
1
10..
i
i
ii
X
U
QP
Q
[KVAr] (1.14)
Với S
i
3
2
2
2
1
10..
)(
i
i
biii
X
U
QQP
Q
(1.16)
Xem P
i
và Q
i
là các hàm mục tiêu với biến Q
bi
bài toán bù tối ƣu công suất phản
kháng theo cực tiểu tổn thất công suất tác dụng nhằm mục tiêu giảm tổn thất điện
năng đƣợc phát biểu nhƣ sau:
Tính chọn các giá trị Q
bi
tại các nút i sao cho P (Q
bi
) min với các rằng buộc
điện áp tại các nút đảm bảo đạt giá trị lân cận giá trị định mức và với các điều kiện
,Q
b2
,….Q
bn
i
) min
Với các điều kiện biên: Q
b min
Q
b
Q
b max
. (1.17)
Trong đó Q
bi
- Giá trị bù tối ƣu tại nút i.
Q
b min
, Qb
max _
- Các giá trị giới hạn bù min và bù max tại nút i.
F(Q
bi
) – tổn thất công suất ứng với giá trị Q
bi
đặt tại nút i.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
22
jin
gFL
1
bnb2b1bnb2b1321bnb2b1
).Q,Q,Q().Q,Q,Q()....,;.Q,Q,Q(
Trong đó
j
với j=1,2,3…,m là những hằng số không xác định Lagrange.
Đây là một trƣờng hợp của bài toán quy hoạch phi tuyến, trong đó các rằng buộc có
quan hệ tuyến tính, hàm mục tiêu là tổng của các hàm có quan hệ tuyến tính và quan
hệ bậc 2. Áp dụng phƣơng pháp Lagrange để giải bài toán trên, tìm nghiệm của
phƣơng trình L(Q
bi
,
j
).
Xem xét các hằng số
j
Lagrange là biến, lấy đạo hàm riêng phần biểu thức
trên lần lƣợt theo các biến Q
bi
và
j
ta có hệ phƣơng trình:
bi
m
j
j
i
j
và nghiệm
j
.
Nhận xét phƣơng pháp:
Ƣu điểm: Bài toán hội tụ nhanh, lời giải với mạng có số nút, nhánh không lớn lắm
tìm đƣợc khá dễ dàng, có thể mở rộng thành mô hình phụ thuộc điện áp để nâng cao
độ chính xác của kết quả.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
23
* Nhƣợc điểm: Chƣa nhận xét đến điều kiện về điện áp ở các nút; với mạng điện có
nhiều nút, nhiều nhánh thì khối lƣợng tính toán lớn, việc lấy đạo hàm dạng giải tích
rất khó khăn.
1.5.4 Mô hình bù công suất phản kháng dựa trên chỉ tiêu tối đa hóa các tiết
kiệm:
Theo yêu cầu là tối ƣu dung lƣợng và vị trí lắp đặt của n tụ bù trên một xuất tuyến
phân phối ba pha hình tia nhằm tối thiểu hóa tổn thất công suất và tổn thất điện năng.
Cụ thể hơn là chúng ta tìm các vị trí h
i
(i=1,2,…n) và các kích cỡ Q
bi
(i=1,2…n) của
các tụ bù ngang theo hình 1-5 để cực đại hóa các tiết kiệm ròng bằng tiền đạt đƣợc
cho chƣơng trình lắp đặt tụ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
24
* Ƣu điểm: Tính đƣợc tƣơng đối đủ các lợi ích do thiết bị bù mang lại, đặc
biệt có ý nghĩa với mạng lƣới làm việc tƣơng đối đầy tải, do giảm đƣợc lƣợng công
suất tác dụng giờ cao điểm.
* Nhƣợc điểm: Độ chính xác của mô hình phụ thuộc rất nhiều vào các hệ số
kinh tế.
- Việc xác định các hệ số C
p
, C
,
K
c
là rất khó khăn, ngoài ra trong thực tế giá trị tụ
bù là hàm không tuyến tính đối với dung lƣợng của nó.
-Chƣa kiểm tra đƣợc điều kiện về độ lệch điện áp.
Mô hình khá phức tạp nên trong thực tế phải tùy theo điều kiện cụ thể ngƣời
ta có thể đƣa ra các giả thiết làm đơn giản mô hình. Ví dụ: Nếu mục đích của chƣơng
trình lắp đặt tụ là để giảm tối đa tổn thất công suất đỉnh thì C
,
=0, (ở công thức 1.21
), còn nếu mục đích là để tiết kiệm điện năng (giảm tổn thất điện năng), không để ý
đến tổn thất công suất hay tính kinh tế thì cả hệ số C
p
=0,
,
K
c
=0,
k
:
ib
n
bk
XQ
U
UE
2
100
1
(1.24)
Copyright: Tài liệu đại học ©