Tính toán bù tối ưu công suất phản kháng lưới phân phối huyện mỏ cày nam

Tính toán bù tối ưu công suất phản kháng lưới phân phối huyện mỏ cày nam Tính toán bù tối ưu công suất phản kháng lưới phân phối huyện mỏ cày nam Tính toán bù tối ưu công suất phản kháng lưới phân phối huyện mỏ cày nam Tính toán bù tối ưu công suất phản kháng lưới phân phối huyện mỏ cày nam

Giới thiệu chung

Giới thiệu

Sự phát triển của ngành điện có mối liên hệ chặt chẽ với sự tiến bộ của đất nước, ảnh hưởng sâu rộng đến kinh tế, chính trị và xã hội Những thay đổi trong ngành điện sẽ góp phần quan trọng vào việc thúc đẩy sự phát triển toàn diện của quốc gia.

Tổn thất điện năng là vấn đề quan trọng trong quá trình truyền tải điện từ nguồn đến phụ tải, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của hệ thống Giảm tổn thất điện năng không chỉ giúp tiết kiệm chi phí nhiên liệu sản xuất điện mà còn giảm vốn đầu tư cho các nguồn điện mới Điều này góp phần giảm gánh nặng đầu tư cho ngành điện và nâng cao chất lượng điện năng cung cấp cho người tiêu dùng.

Tổng Công ty Điện lực miền Nam (EVN - SPC) đã giao nhiệm vụ cho các Công ty và Điện lực trực thuộc nhằm tìm ra các giải pháp tối ưu để giảm thiểu tổn thất điện năng đến mức thấp nhất Đây là một trong những tiêu chí quan trọng trong việc đánh giá thi đua hàng năm của các đơn vị.

Hiện nay, lưới điện phân phối được phân bố rộng rãi với nhiều nhánh và nút phụ tải, dẫn đến tổn thất công suất và điện năng, đồng thời giảm chất lượng điện Trong bối cảnh nhu cầu tiêu thụ điện năng ngày càng tăng, ngành điện cần đáp ứng kịp thời cả về số lượng và chất lượng Để khắc phục tình trạng này, ngành điện đã áp dụng nhiều biện pháp như tăng số lượng trạm biến áp 110kV, cải thiện cấu trúc lưới, điều chỉnh điện áp và thực hiện bù công suất phản kháng.

Công suất phản kháng Q không thực hiện công việc nhưng ảnh hưởng tiêu cực đến kinh tế và kỹ thuật Về mặt kinh tế, người tiêu dùng phải chi trả cho lượng công suất phản kháng tiêu thụ Về kỹ thuật, công suất phản kháng dẫn đến hiện tượng sụt áp trong hệ thống.

Để hạn chế tổn thất công suất trên đường dây truyền tải điện, cần thực hiện biện pháp bù công suất phản kháng Q nhằm nâng cao hệ số cosφ Theo quy định của Tập đoàn Điện lực Việt Nam, hệ số công suất cosφ phải đạt từ 0,98 trở lên Quy định này nhằm giảm thiểu tổn thất công suất trên các thành phần của hệ thống cung cấp điện như máy biến áp và đường dây, đồng thời giảm tổn thất điện áp trong quá trình truyền tải và tăng khả năng truyền tải điện của hệ thống.

Do sự đa dạng của phụ tải trong hệ thống điện, huyện Mỏ Cày Nam gặp phải sự chênh lệch lớn giữa phụ tải giờ cao điểm và giờ thấp điểm, dẫn đến thiếu công suất vào giờ cao điểm và công suất phản kháng phát ngược vào giờ thấp điểm Hiện trạng cho thấy hiệu quả vận hành lưới điện phân phối chưa được tối ưu, đặc biệt là trong việc bù công suất phản kháng Để cải thiện hiệu quả bù công suất, luận văn này sẽ thực hiện khảo sát, phân tích và tính toán bù tối ưu cho lưới điện phân phối tại huyện Mỏ Cày Nam Các phương án bù công suất phản kháng có thể bao gồm lắp đặt mới hoặc điều chỉnh các vị trí bù không phù hợp, với mục tiêu giảm tổn thất điện năng theo kế hoạch của Tổng Công ty Điện lực Miền Nam và Công ty Điện lực Bến Tre.

Xuất phát từ các phân tích trên, đề tài luận văn “Tính toán bù tối ưu công suất phản kháng lưới phân phối Huyện Mỏ Cày Nam”

Các công trình nghiên cứu có liên quan đã công bố:

+ Trần Vinh Tịnh, Trương Văn Chương (2008) “Bù tối ưu công suất phản kháng lưới điện phân phối”, Tạp chí khoa học và công nghệ đại học Đà Nẵng, số 2 (25)

Nghiên cứu về bù công suất phản kháng cho lưới điện trung áp được thực hiện thông qua việc áp dụng phần mềm PSS/Adep, cụ thể cho lộ 479 Văn Lâm, Hưng Yên Đây là nội dung của luận văn thạc sĩ kỹ thuật của tác giả Ngô Quang Ước, hoàn thành vào năm 2010.

Mục đích nghiên cứu

+ Phân tích các chế độ làm việc hiện hành của lưới điện phân phối 22 kV Huyện Mỏ Cày Nam, Tỉnh Bến Tre

+ Tìm hiểu các chế độ bù công suất phản kháng hiện tại trên lưới phân phối 22 kV Huyện Mỏ Cày Nam, Tỉnh Bến Tre

Khảo sát và phân tích dung lượng cũng như vị trí bù công suất phản kháng là cần thiết để giảm tổn thất điện năng Việc tối ưu hóa này không chỉ giúp tăng hiệu quả kinh tế cho lưới điện phân phối 22 kV tại Huyện Mỏ Cày Nam, Tỉnh Bến Tre mà còn cải thiện độ tin cậy của hệ thống điện.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

+ Đối tượng nghiên cứu là lưới điện phân phối 22 kV Huyện Mỏ Cày Nam, Tỉnh Bến Tre

+ Phạm vi nghiên cứu là nghiên cứu, phân tích và tính toán bù tối ưu công suất phản kháng cho lưới điện phân phối.

Phương pháp nghiên cứu

+ Thu thập các tài liệu kỹ thuật liên quan đến bài toán bù tối ưu công suất phản kháng cho lưới điện phân phối

+ Khảo sát, thu thập và tổng hợp số liệu thực tế nhằm phục vụ cho việc nghiên cứu, phân tích và tính toán

+ Kết hợp sử dụng phần mềm PSS/ADept cho tính toán tối ưu công suất phản kháng lưới điện phân phối Huyện Mỏ Cày Nam.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Dựa trên lý thuyết bù tối ưu công suất phản kháng cho lưới điện phân phối, bài viết đề xuất các giải pháp nhằm giảm thiểu tổn thất công suất và cải thiện chất lượng điện năng cung cấp cho các phụ tải điện.

Kết quả của nghiên cứu sẽ mang lại giá trị thực tiễn cao cho các lưới điện phân phối hiện tại, đặc biệt là lưới điện phân phối tại Huyện Mỏ Cày Nam, Tỉnh Bến Tre.

Bố cục của luận văn

Bố cục của luận văn được chia làm các chương như sau:

Chương này trình bày các vấn đề liên quan đến bù công suất phản kháng trong lưới điện phân phối, bao gồm mục đích, phạm vi và đối tượng nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, cùng với các ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn.

Lưới điện phân phối và tổn thất điện năng

Vai trò của lưới điện phân phối trong hệ thống điện

Với sự phát triển của nền kinh tế, hệ thống điện Việt Nam đã không ngừng cải tiến, đóng vai trò quan trọng trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước.

Trong thời đại hiện nay, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy mạnh mẽ quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước Đặc biệt, ngành năng lượng, đặc biệt là ngành điện, đã ghi nhận nhiều thành tựu nổi bật trong những năm gần đây, bên cạnh sự phát triển của các ngành công nghiệp khác.

Ngành điện là một phần quan trọng của nền kinh tế quốc dân, đóng vai trò then chốt trong sự phát triển kinh tế Trong nhiều năm qua, Đảng và Nhà nước đã chú trọng đầu tư và phát triển nguồn điện, từ trung ương đến địa phương, bất chấp những khó khăn Đặc biệt, trong hơn một thập kỷ qua, ngành điện đã trở thành ưu tiên hàng đầu, là động lực cho sự vận hành của toàn bộ nền kinh tế và đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dân Vai trò của ngành điện lực càng được khẳng định trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước.

Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện, trạm biến áp, và các đường dây truyền tải, phân phối, tạo thành một mạng lưới thống nhất để sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng Tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu, hệ thống điện được chia thành các phần tương đối độc lập.

* Về mặt quản lý vận hành, hệ thống điện được chia thành:

+ Lưới điện cao áp, siêu cao áp ( 220 kV) và các trạm khu vực do các công ty truyền tải quản lý;

+ Lưới truyền tải 110 kV và phân phối do các công ty điện lực quản lý

* Về mặt điều độ được chia thành 3 cấp:

- Điều độ các điện lực, các nhà máy điện

* Về mặt nghiên cứu tính toán, hệ thống điện được chia ra thành:

- Lưới truyền tải 110 và 220 kV;

- Lưới phân phối trung áp 6, 10, 15, 22 và 35 kV;

- Lưới phân phối hạ áp 0,4 kV

Hệ thống điện đang phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của phụ tải, dẫn đến việc xây dựng nhiều nhà máy điện lớn gần nguồn nhiên liệu để tiết kiệm chi phí Tuy nhiên, các trung tâm tiêu thụ thường nằm xa các nhà máy, buộc phải sử dụng lưới truyền tải để cung cấp điện Để đảm bảo an toàn và tiết kiệm, điện không thể được cung cấp trực tiếp qua lưới truyền tải cao áp, mà phải qua lưới phân phối với điện áp thấp hơn Do đó, lưới điện phân phối có vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện năng cho các khu vực địa phương với bán kính dưới 50 km.

Đặc điểm của lưới điện phân phối

Lưới phân phối điện bao gồm hai loại chính: lưới phân phối trung áp và lưới phân phối hạ áp Lưới phân phối trung áp có điện áp từ 6 - 35 kV, có nhiệm vụ chuyển tải điện năng từ các trạm trung gian đến các trạm phân phối hạ áp.

Lưới phân phối hạ áp có cấp điện áp 380/220 V hay 220/110 V cấp điện trưc tiếp đến các hộ tiêu thụ

Lưới điện phân phối có nhiệm vụ cung cấp điện cho các phụ tải với chất lượng điện năng đạt tiêu chuẩn cho phép, đảm bảo các phụ tải hoạt động đúng theo thông số yêu cầu Cấu trúc của lưới phân phối thường được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy trong việc cung cấp điện.

Lưới phân phối hình tia không phân đoạn, như được minh họa trong Hình 2.1, có đặc điểm đơn giản và chi phí thấp Tuy nhiên, độ tin cậy của nó không cao, không đủ khả năng đáp ứng nhu cầu của các phụ tải quan trọng.

Hình 2.1 Lưới phân phối hình tia không phân đoạn

Lưới phân phối hình tia có phân đoạn, như được minh họa trong Hình 2.2, bao gồm nhiều đoạn nhờ vào các thiết bị phân đoạn như dao cách ly, cầu dao phụ tải và máy cắt phân đoạn Các thiết bị này có thể được thao tác tại chỗ hoặc điều khiển từ xa, ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy của lưới phân phối Độ tin cậy của lưới này phụ thuộc vào chất lượng của thiết bị phân đoạn và hệ thống điều khiển đi kèm.

Hình 2.2 Lưới phân phối hình tia có phân đoạn

Lưới điện kín và vận hành hở có cấu trúc đặc biệt với hai nguồn và các thiết bị phân đoạn trong mạch vòng Thông thường, lưới điện hoạt động ở chế độ hở, nhưng khi xảy ra sự cố hoặc cần sửa chữa đường dây, người ta sẽ chuyển sang lưới điện kín để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong vận hành.

P max1 P max2 P max3 P max4 P max5

P max1 P max2 P max3 P max4 P max5

Sử dụng thiết bị đóng cắt để điều chỉnh nguồn điện giúp ngắt điện tại phân đoạn sửa chữa mà không ảnh hưởng đến các phân đoạn khác, đảm bảo rằng điện vẫn được cung cấp bình thường cho những khu vực còn lại.

Hình 2.3 Lưới điện kín vận hành hở

Sơ đồ lưới điện kín vận hành hở có độ tin cậy cao hơn các sơ đồ trước

Lưới có thể hoạt động kín nhưng cần thiết bị bảo vệ và điều khiển đắt tiền và chính xác Ngược lại, vận hành lưới hở đơn giản và tiết kiệm chi phí hơn.

Chất lượng điện năng của lưới điện phân phối

Người dùng điện ngày càng có yêu cầu cao về chất lượng phục vụ của lưới điện, bao gồm chất lượng điện năng và độ tin cậy Chất lượng điện năng được định lượng cụ thể và có tính pháp định mà lưới điện cần phải đáp ứng, trong khi độ tin cậy cung cấp điện thể hiện sự thỏa hiệp giữa lưới điện và người tiêu dùng.

Chất lượng điện năng bao gồm chất lượng điện áp và chất lượng tần số Theo Nghị định 137/2013/NĐ-CP ban hành ngày 21/10/2013, quy định chi tiết thi hành một số điều của Luật điện lực và Luật sửa đổi, bổ sung một số điều của Luật điện lực, tại Điều 15 nêu rõ về chất lượng điện năng.

P max1 P max2 P max3 P max4 P max5

P max10 P max9 P max8 P max7 P max6

10 có quy định điện áp và tần số cho sử dụng điện phải đảm bảo các tiêu chuẩn sau đây [1]:

Trong điều kiện bình thường, độ lệch điện áp cho phép là ± 5% so với điện áp danh định của lưới điện, được xác định tại vị trí thiết bị đo đếm điện hoặc theo thỏa thuận giữa hai bên Đối với lưới điện chưa ổn định, độ lệch điện áp cho phép là từ +5% đến -10%.

Trong điều kiện bình thường, độ lệch tần số cho phép của hệ thống điện là ± 0,2 Hz so với tần số danh định 50 Hz Tuy nhiên, đối với lưới điện chưa ổn định sau sự cố đơn lẻ, độ lệch tần số có thể tăng lên ± 0,5 Hz.

Bên mua điện phục vụ cho sản xuất, kinh doanh, dịch vụ, cần có trạm biến áp riêng hoặc không có trạm biến áp nhưng phải đảm bảo công suất sử dụng cực đại từ 40 kW trở lên, sẽ có những trách nhiệm nhất định.

+ Đăng ký biểu đồ phụ tải và đặc tính kỹ thuật công nghệ của thiết bị sử dụng điện với bên bán điện;

+ Đảm bảo hệ số cosφ ≥ 0,9 tại điểm đặt thiết bị đo đếm điện trong điều kiện hệ thống điện đảm bảo chất lượng điện năng;

+ Lắp đặt thiết bị bù công suất phản kháng trong trường hợp hệ số cosφ

< 0,9 để nâng hệ số cosφ ≥ 0,9 hoặc mua thêm công suất phản kháng trên hệ thống điện của bên bán điện

+ Đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật về sóng hài, dao động điện áp, nhấp nháy điện áp theo quy định

2.3.2 Độ tin cậy cung cấp điện Độ tin cậy cung cấp điện là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng điện năng Nếu các chỉ tiêu về điện áp, tần số… được đảm bảo, nhưng điện năng không được cung cấp liên tục thì một hệ thống điện không những không đưa lại hiệu quả kinh tế mà còn gây thiệt hại lớn cho nền kinh tế quốc dân

Các chỉ tiêu cơ bản để đánh giá độ tin cậy trong cung cấp điện bao gồm tổn thất kinh tế do ngừng cung cấp, cường độ hỏng hóc, thời gian phục hồi, xác suất làm việc tin cậy và thời gian làm việc tin cậy.

Để nâng cao độ tin cậy của hệ thống cung cấp điện, cần chú trọng từ các giai đoạn thiết kế, chế tạo cho đến vận hành.

- Trong giai đoạn thiết kế:

+ Dùng sơ đồ đơn giản nhất: Trên cơ sở đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật, nên chọn phương án có sơ đồ nối dây đơn giản nhất

+ Chọn sơ đồ nối dây có khả năng hạn chế được hiện tượng xảy ra hỏng hóc liên tiếp

Việc lắp đặt các mạch dự phòng như đường dây và máy biến áp là giải pháp hiệu quả nhằm nâng cao độ tin cậy trong cung cấp điện Tùy thuộc vào tình hình cụ thể, có thể triển khai một hoặc nhiều mạch dự phòng với các hình thức khác nhau, bao gồm dự phòng nóng, khi phần tử chính và phần tử dự phòng hoạt động song song; dự phòng nguội, khi phần tử dự phòng chỉ hoạt động khi phần tử chính gặp sự cố; cũng như các hình thức dự phòng chung và riêng.

- Trong giai đoạn chế tạo hoặc lựa chọn thiết bị điện:

Trong giai đoạn chế tạo hoặc lựa chọn thiết bị điện nên dùng loại có chất lượng tốt, phù hợp với hoàn cảnh làm việc của chúng

- Trong giai đoạn vận hành cần áp dụng:

Quy chế vận hành nghiêm ngặt giúp giảm thiểu rủi ro từ những sai sót trong thao tác Việc kiểm tra, bảo trì và sửa chữa thiết bị định kỳ là cần thiết để đảm bảo chúng luôn trong tình trạng sẵn sàng hoạt động.

+ Các biện pháp điều khiển tự động, tín hiệu hoá…để nhanh chóng phát hiện và xử lý kịp thời các sự cố

Theo Thông tư 32/2010/TT-BCT ngày 30/07/2010, Tập đoàn Điện lực Việt Nam quy định các chỉ tiêu về độ tin cậy cung cấp điện, trong đó có chỉ số SAIFI (System Average Interruption Frequency Index) phản ánh số lần mất điện trung bình của lưới điện phân phối.

SAIFI được tính bằng cách lấy tổng số khách hàng bị mất điện trong một quý chia cho tổng số khách hàng sử dụng điện trong khu vực đó trong cùng quý.

N j : Tổng số khách hàng bị mất điện kéo dài trên 5 phút của quý j trong một khu vực;

K: Tổng số khách hàng trong quý j trong một khu vực của đơn vị phân phối điện b Chỉ số về thời gian mất điện trung bình của lưới điện phân phối (System Average Interruption Duration Index - SAIDI)

SAIDI được tính bằng cách chia tổng thời gian mất điện kéo dài của khách hàng trong một khu vực cho tổng số khách hàng sử dụng điện trong quý đó.

T i : Thời gian mất điện lần thứ i kéo dài trên 5 phút trong quý j;

K i là số lượng khách hàng sử dụng điện, bao gồm cả các khách hàng và các đơn vị phân phối bán lẻ điện, bị ảnh hưởng bởi sự cố mất điện thứ i trong quý j.

Tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối

Lưới điện phân phối cung cấp điện trực tiếp cho các thiết bị sử dụng điện và kết nối với lưới hạ áp thông qua các trạm phân phối, từ đó lưới hạ áp tiếp tục cung cấp điện cho các thiết bị điện.

Khi có dòng điện trong lưới điện (đường dây và máy biến áp) sẽ xảy ra các hiện tượng sau:

Tổn thất điện áp xảy ra trên đường dây và trong máy biến áp, dẫn đến sự chênh lệch điện áp giữa đầu nguồn và phụ tải Thông thường, điện áp tại phụ tải sẽ thấp hơn so với điện áp ở đầu nguồn.

+ Tổn thất công suất trên lưới và trong máy biến áp, làm cho công suất của nguồn điện lớn hơn công suất yêu cầu của phụ tải

+ Tổn thất điện năng trên lưới và trong máy biến áp làm cho điện năng ở nguồn điện lớn hơn điện năng phụ tải yêu cầu

Nguyên nhân chính gây ra tổn thất điện áp, công suất và điện năng trên lưới điện là do sự hiện diện của điện trở và điện kháng trong các thành phần của hệ thống điện như đường dây và máy biến áp Khi dòng điện lưu thông, điều này dẫn đến tổn thất công suất và, từ đó, tổn thất điện năng Tổn thất điện năng trong bất kỳ phần tử nào của mạng điện chủ yếu phụ thuộc vào tính chất và sự biến đổi của phụ tải trong khoảng thời gian khảo sát.

Nếu phụ tải của đường dây không thay đổi và tổn thất công suất tác dụng trên đường dây là ∆P, thì tổn thất điện năng trong khoảng thời gian t có thể được tính bằng công thức: ΔP t ΔA = × (kWh).

Trong thực tế, phụ tải của đường dây thay đổi theo thời gian, do đó việc tính toán tổn thất công suất không đơn giản và thường không chính xác Để tính toán tổn thất điện năng với điện áp định mức, cần phải biểu diễn gần đúng đường cong i(t) và S(t) dưới dạng bậc thang hóa.

Trong đó: i(t): Dòng điện qua phụ tải thay đổi theo thời gian;

S(t): Công suất toàn phần của phụ tải thay đổi theo thời gian;

P(t): Công suất tác dụng của phụ tải thay đổi theo thời gian;

Q(t): Công suất phản kháng của phụ tải thay đổi theo thời gian

Trong tính toán tổn thất điện năng, một thách thức lớn là không biết rõ đồ thị P(t) và Q(t) Để giải quyết vấn đề này, cần áp dụng các phương pháp gần đúng dựa trên những khái niệm quy ước như thời gian sử dụng phụ tải cực đại (Tmax), thời gian hao tổn công suất cực đại (τ max) và dòng điện trung bình bình phương (I tbbp) Bên cạnh đó, có thể áp dụng các phương pháp khác như sử dụng công tơ, tính toán theo đồ thị phụ tải và dựa vào đặc tính xác suất của phụ tải để có được kết quả chính xác hơn.

Một số phương pháp dùng để xác định tổn thất điện năng trong lưới điện phân phối được trình bày trong các phần kế tiếp.

Các phương pháp xác định tổn thất điện năng

2.5.1 Phương pháp xác định tổn thất điện năng theo chỉ số công tơ

Phương pháp phổ biến nhất để xác định tổn thất điện năng là so sánh sản lượng điện đầu vào lưới với năng lượng tiêu thụ tại các phụ tải trong cùng một khoảng thời gian.

- Không đòi hỏi chuyên môn cao

- Không thể lấy được đồng thời các chỉ số của các công tơ tại đầu nguồn và ở các điểm tiêu thụ tại cùng một thời điểm

- Nhiều điểm tải còn thiếu thiết bị đo hoặc thiết bị đo không phù hợp với phụ tải

Đồng hồ đo có nhiều chủng loại đa dạng với các mức sai số khác nhau Việc điều chỉnh đồng hồ đo không chính xác có thể do chất lượng điện không đảm bảo.

2.5.2 Phương pháp xác định tổn thất điện năng theo điện trở đẳng trị

Tổn thất điện năng trong mạng điện có thể xác định theo biểu thức như sau: t R I k

Trong đó: k f : Hệ số hình dạng, xác định theo chỉ số của công tơ ghi m lần trong thời gian khảo sát t r ri f A

A ri : Điện năng tác dụng trong lần đo thứ i (kWh);

A r : Điện năng tiêu thụ trong khoảng thời gian t (kWh);

I tb : Dòng điện trung bình (A); t U

R đt : Điện trở đẳng trị của mạng điện ( ) Đối với đường dây phân nhánh hình tia đơn giản, khi ấy:

Hình 2.4 Đường dây phân nhánh hình tia đơn giản

Từ đó, có thể tính được điện trở đẳng trị tương ứng bởi biểu thức sau:

17 Đối với đường dây phân nhánh phức tạp hơn, Hình 2.5

Hình 2.5 Đường dây phân nhánh phức tạp

Trong đó: r 0 : Điện trở của một km đường dây (/km);

R c : Điện trở đoạn dây cung cấp (); r i : Điện trở nhánh dây thứ i (); k mti : Hệ số mang tải của nhánh dây thứ i; max i mti P k  P

P i : Phụ tải của nhánh dây thứ i;

P max : Phụ tải nhánh dây nặng nhất; n: Số nhánh dây

Đối với mạng điện phức tạp, việc xác định điện trở đẳng trị trở nên khó khăn do nó phụ thuộc vào dòng điện hoặc công suất phụ tải của các nhánh dây.

2.5.3 Phương pháp xác định tổn thất điện năng theo cường độ dòng điện thực tế

Tổn thất điện năng trong mạng điện phân phối chủ yếu phụ thuộc vào bình phương dòng điện, và được xác định theo công thức cụ thể.

∆A: Tổn thất điện năng trong mạng điện 3 pha (kWh);

I t : Dòng điện chạy trong mạng (A);

Để giải quyết bài toán, trước tiên cần xác định chính xác các tham số liên quan đến điện trở của phần tử, sau đó chỉ cần tính toán trung bình cường độ dòng điện.

Nếu ta xây dựng được đường cong bình phương cường độ dòng điện thực tế thì phương pháp này cho kết quả chính xác

Cường độ dòng điện thường xuyên thay đổi và chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau Do đó, việc xác định tổn thất điện năng theo công thức hiện tại trở nên phức tạp.

2.5.4 Phương pháp xác định tổn thất điện năng theo đồ thị phụ tải Để khắc phục sự phức tạp của việc xác định cường độ dòng điện thực tế, có thể xác định tổn thất điện năng theo đồ thị phụ tải bằng cách biểu diễn sự biến thiên của bình phương cường độ dòng điện hoặc công suất theo thời gian

I 2 = f(t) hoặc S 2 = f(t) Khi đó, tổn thất điện năng ∆A được xác định theo biểu thức:

Để đơn giản hóa, trong khoảng thời gian ∆t, ta giả định rằng dòng điện và công suất là không đổi, với điện áp ở mức định mức Bằng cách bậc thang hóa đường cong, ta có thể xác định được lượng điện năng tổn thất là ΔA 3R (kWh) (2.14).

Trong đó: n: Số bậc thang của đồ thị phụ tải

Phương pháp xác định này, mặc dù đơn giản, nhưng yêu cầu có đồ thị phụ tải, điều này không phải lúc nào cũng khả thi tại tất cả các điểm nút cần thiết.

- Biểu thức tính toán đơn giản

- Dựa vào đồ thị phụ tải năm, có thể xác định tổn thất điện năng trong năm

- Phải xây dựng được đồ thị phụ tải năm, tức là phải khảo sát lưới điện trong thời gian khá dài

- Độ chính xác của phương pháp phụ thuộc rất lớn vào việc kháo sát, thu thập số liệu của đồ thị phụ tải

Để xác định tổn thất điện năng, phương pháp này yêu cầu giả định rằng giá trị dòng điện hoặc công suất giữ nguyên trong khoảng thời gian Δt Tuy nhiên, nếu Δt quá lớn, điều này có thể dẫn đến sai số đáng kể.

2.5.5 Phương pháp xác định tổn thất điện năng theo dòng điện trung bình bình phương

Trên đồ thị thể hiện bình phương dòng điện phụ tải theo thời gian, ta dựng một hình chữ nhật có đáy dài 8.760 giờ Chiều cao của hình chữ nhật, nằm trong diện tích giới hạn bởi đường cong i²(t) và các trục tọa độ, được gọi là dòng điện trung bình bình phương, ký hiệu là I_tbbp(t).

Hình 2.6 Dòng điện trung bình bình phương

Theo đồ thị, Hình 2.6, ta có:

Nếu thời gian truyền tải hàng năm là T, khi ấy:

Với đồ thị phụ tải đã cho thì tổn thất điện năng được xác định theo biểu thức:

S 1 , S 2 , S 3 : Công suất truyền tải ứng với thời gian t 1, t 2 , t 3

S tbbp : Công suất trung bình bình phương

Nếu đồ thị phụ tải có dạng bậc thang thì dòng điện trung bình bình phương được xác định như sau: n 2

Nếu thời gian khảo sát là một năm thì t1 + t 2 + … + t n = T = 8760 giờ

Phương pháp cho kết quả chính xác nếu biết đồ thị phụ tải tại tất cả các điểm tải

- Điện trở đẳng trị của mạng điện thay đổi theo dòng điện nên tính toán theo dòng cực đại sẽ gây sai số lớn

- Đối với các lưới điện phức tạp có nhiều nút, việc xác định dòng chạy trong các nhánh sẽ phức tạp

2.5.6 Phương pháp xác định tổn thất điện năng theo thời gian tổn thất công suất cực đại

Tổn thất trên đường dây:

I max : Dòng điện cực đại trong thời gian tính toán

Trong đó: k đt : Hệ số đồng thời

S i : Công suất các điểm tải (kVA)

U n : Điện áp định mức (kV)

R: Điện trở của đường dây ()

Thời gian hao tổn công suất cực đại (giờ) là khoảng thời gian mà mạng điện liên tục tải I max hoặc P max, dẫn đến hao tổn năng lượng trong mạng tương đương với hao tổn thực tế.

I max : Dòng điện cực đại chạy trong mạng (A)

P max : Tổn thất công suất cực đại trong mạng (kW)

Phương pháp tính toán tổn thất điện năng gặp khó khăn do thời gian hao tổn cực đại thay đổi theo tính chất phụ tải, hệ số công suất và thời gian sử dụng công suất cực đại Do đó, việc áp dụng biểu thức để tính toán tổn thất điện năng có thể dẫn đến sai số lớn Giá trị thời gian hao tổn cực đại được xác định thông qua đồ thị phụ tải.

Và τ không phải bao giờ cũng có thể xác định được một cách dễ dàng

Trong thực tế, khi không có đồ thị phụ tải, người ta thường sử dụng một số biểu thức thực nghiệm để xác định τ một cách gần đúng.

T max : Thời gian sử dụng công suất cực đại (giờ)

2 max min max min max max max P

* Phương pháp hệ số đồ thị phụ tải KĐT hay còn gọi là hệ số tổn thất (LLF):

P 0 : Tổn thất không tải của máy biến áp trên lưới (kW)

P max : Tổn thất công suất tại thời điểm công suất cực đại của lưới điện (kW) T: Thời gian tính toán giai đoạn xem xét tổn thất điện năng (giờ)

K DT : Hệ số đồ thị phụ tải ảnh hưởng đến tổn thất điện năng trong giai đoạn tính toán

S i và S max : Giá trị phụ tải đầu xuất tuyến tại các thời điểm t i và t max

Bù công suất phản kháng cho lưới điện phân phối

Bù công suất phản kháng cho lưới điện

Trong quá trình cung cấp điện năng, một số phụ tải cần công suất phản kháng để tạo ra từ trường, mặc dù công suất này không sinh ra công Công suất phản kháng là yếu tố trung gian quan trọng trong việc chuyển hóa điện năng.

Việc truyền tải công suất phản kháng qua đường dây và máy biến áp có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến các chỉ số kinh tế - kỹ thuật của mạng điện Để giảm thiểu sự truyền tải này, cần sử dụng thiết bị bù công suất phản kháng, bao gồm thiết bị bù một chiều như tụ điện tĩnh và bù ngang, hoặc thiết bị bù hai chiều như máy bù tĩnh (SVC) và máy bù đồng bộ Những thiết bị này sẽ cung cấp công suất phản kháng bổ sung cho mạng điện tại các vị trí gần phụ tải, giúp cải thiện hiệu suất hoạt động của hệ thống điện.

Khi công suất phản kháng được cung cấp từ các nhà máy điện, các thành phần trong hệ thống như máy phát, máy biến áp và thiết bị bảo vệ cần phải tăng cường dung lượng Việc bù công suất phản kháng giúp giảm nhu cầu công suất phản kháng từ các máy phát, từ đó giảm dòng điện từ vị trí lắp đặt bù đến máy phát Kết quả là giảm tổn thất công suất và tổn thất điện áp trên đường dây và trạm biến áp Những lợi ích của việc lắp đặt bù công suất phản kháng bao gồm việc cải thiện hiệu suất hệ thống điện.

+ Giảm công suất phát tại các nhà máy;

+ Giảm công suất truyền tải;

+ Giảm dung lượng các trạm biến áp

Giảm công suất tác dụng yêu cầu ở chế độ cực đại của hệ thống điện bằng cách giảm P, giúp tăng độ tin cậy và giảm dự trữ công suất tác dụng của hệ thống điện.

+ 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 phát tuyến và các phần tử liên quan;

+ Trì hoãn hoặc giảm bớt chi phí mở rộng nâng cấp lưới điện;

Cải thiện điện áp có thể giúp tăng doanh thu đáng kể Để xác định dung lượng bù cho từng phát tuyến, cần xem xét số lượng nhánh lớn cần bù Nếu phát tuyến không có nhánh rẽ lớn, việc tính toán bù chỉ cần thực hiện trên phát tuyến đó Ngược lại, nếu phát tuyến có nhiều nhánh lớn, cần tiến hành tính toán bù cho các nhánh này như thể chúng là những phát tuyến mới.

* Cách tính toán dung lượng bù cho từng phát tuyến như sau:

- Xác định dung lượng bù tổng cho từng phát tuyến:

- Dung lượng bù tổng của từng phát tuyến:

- Dung lượng bù ở tải cực tiểu (bù nền):

- Dung lượng bù ở tải cực đại (ứng động): min max

Công suất tác dụng của phát tuyến là:

I max và I min được xác định từ đồ thị phụ tải của phát tuyến

* Xác định hệ số phụ tải của phát tuyến:

1 max max cos tt  tt

1 min min cos tt  tt

Vị trí đặt thiết bị bù

Khi xác định dung lượng và chọn loại thiết bị bù, việc bố trí thiết bị trong mạng điện là rất quan trọng để đạt hiệu quả kinh tế tối ưu Thiết bị bù nên được lắp đặt ở phía trung áp hoặc hạ áp nhằm đảm bảo chi phí tính toán thấp nhất và mang lại lợi ích lớn nhất.

Máy bù đồng bộ có công suất lớn nên thường được đặt tập trung ở những điểm quan trọng của hệ thống điện

Tụ điện có thể được lắp đặt trong cả mạng điện áp cao và điện áp thấp Tụ điện điện áp cao thường được bố trí tập trung tại thanh cái của trạm biến áp trung gian hoặc trạm phân phối, giúp dễ dàng theo dõi và vận hành Việc lắp đặt này còn cho phép tự động hóa điều chỉnh dung lượng bù một cách hiệu quả.

Tụ điện điện áp thấp (0,4kV) có thể được lắp đặt theo ba phương pháp: tập trung tại thanh cái phía điện áp thấp của trạm biến áp phân xưởng, nhóm lại trong tủ phân phối động lực, hoặc phân tán tại từng thiết bị sử dụng điện.

Để giảm tổn thất điện năng, việc lắp đặt tụ bù cho từng thiết bị điện là phương án hiệu quả nhất Tuy nhiên, khi thiết bị ngừng hoạt động, tụ điện cũng sẽ không hoạt động, dẫn đến hiệu suất sử dụng không cao Phương án này chỉ phù hợp cho các động cơ không đồng bộ có công suất lớn.

Việc nhóm tụ điện tại tủ phân phối động lực hoặc đường dây chính trong phân xưởng ngày càng phổ biến nhờ vào hiệu suất sử dụng cao, giúp giảm thiểu tổn thất trong cả mạng điện áp cao và điện áp thấp.

Phương án lắp đặt tụ điện tập trung tại thanh cái điện áp thấp của trạm biến áp phân xưởng là lựa chọn hiệu quả khi cần dung lượng bù lớn hoặc tự động điều chỉnh dung lượng bù để ổn định điện áp mạng Tuy nhiên, nhược điểm của phương án này là không giảm thiểu được tổn thất trong mạng điện phân xưởng.

Trong thực tế quản lý vận hành tùy vào tình hình cụ thể mà chúng ta phối hợp cả ba phương án đặt tụ điện.

Phân phối dung lượng bù

3.3.1 Phân phối dung lượng bù trong mạng hình tia

Trong một mạng hình tia với n nhánh và tổng dung lượng bù là Q bu, việc phân phối dung lượng bù trên các nhánh cần được thực hiện sao cho tổn thất công suất tác dụng do công suất phản kháng gây ra là nhỏ nhất Mục tiêu là đạt được hiệu quả bù lớn nhất cho hệ thống.

Giả sử dung lượng bù được phân phối trên các nhánh là Q bu1 , Q bu2 ,…,

Q bun Phụ tải phản kháng và điện trở của các nhánh lần lượt là Q 1 , Q 2 ,…,Qn và r 1 , r 2 ,…,r n , Hình 3.1

Hình 3.1 Phân phối dung lượng bù trong mạng hình tia

Tổn thất công suất tác dụng do công suất phản kháng gây ra được tính theo biểu thức sau:

 bu   bu   n bun  r n f  Q bu Q bu Q bun 

Với điều kiện ràng buộc về cân bằng công suất bù là:

 Q bu 1 , Q bu 2 , , Q bun   Q bu 1  Q bu 2   Q bun  Q bu  0

 (3.13) Để tìm cực tiểu của hàm ∆P = f(Q bu1 ,Q bu2 ,…,Q bun ), có thể dùng phương pháp toán tử Lagrange [3]:

L: Hằng số sẽ được xác định sau

Theo phương pháp toán tử Lagrange, điều kiện để ∆P có cực tiểu là các đạo hàm riêng của hàm:

F = f(Q bu1 ,Q bu2 ,…,Qbun) + (Q bu1 , Q bu2 ,…,Qbun) (3.15)

Cuối cùng, ta có hệ phương trình sau:

F n bun n bun bu bu bu bu

Giải hệ phương trình (3.5), ta có:

: Tổng phụ tải phản kháng của mạng; bu n i bui Q

: Tổng dung lượng bù của mạng;

R : Điện trở tương đương của những nhánh có đặt thiết bị bù của mạng

Vì vậy, có thể viết:

Thay L vào hệ phương trình (3.16), xác định được dung lượng bù tối ưu của các nhánh là:

 td n bu n bun td bu bu td bu bu r R

Để tối ưu hóa vận hành và giảm thiểu thiết bị đóng cắt, đo lường cho các nhóm tụ, nếu dung lượng bù tối ưu của một nhánh nhỏ hơn 30 kVAr, thì không nên lắp đặt tụ điện ở nhánh đó Thay vào đó, nên phân phối dung lượng bù sang các nhánh lân cận.

3.3.2 Phân phối dung lượng bù trong mạng phân nhánh

Một mạng phân nhánh có thể được hình dung như sự kết hợp của nhiều hình tia Tại điểm 3, có thể xem có hai nhánh hình tia r3 và r4 Tương tự, tại điểm 2, có hai nhánh hình tia, bao gồm nhánh r2 và một nhánh khác có điện trở tương đương của phần phía sau.

Như vậy, có thể áp dụng (3.19) để tính toán cho trường hợp mạng phân nhánh

Dung lượng bù của nhánh thứ n được tính toán theo biểu thức sau:

Q n : Phụ tải phản kháng của nhánh thứ n;

Q (n-1)n : Phụ tải phản kháng chạy trên đoạn từ điểm (n-1) tới điểm n;

Q bu_dat_n : Dung lượng bù đặt tại điểm n;

R tdn : Điện trở tương đương của mạng kể từ điểm n trở về sau

Hình 3.2 Phân phối dung lượng bù trong mạng phân nhánh

Bù công suất phản kháng theo điều kiện điều chỉnh điện áp

3.4.1 Xác định dung lượng bù công suất phản kháng khi đặt thiết bị bù tại

Trong một hệ thống điện, nếu có một đường dây cung cấp điện như Hình 3.3 với phụ tải tính toán S b tại điểm b, điện áp U A ở đầu dây và điện áp U b nhận được ở cuối dây không đáp ứng yêu cầu của phụ tải, cần phải điều chỉnh điện áp U b đến giá trị yêu cầu U b(yc).

Vấn đề đặt ra là muốn điều chỉnh U b thành U b(yc) thì phải đặt máy bù đồng bộ hay tụ điện tĩnh và có dung lượng là bao nhiêu?

U b(yc) Hình 3.3 Sơ đồ mạng điện dùng máy bù đồng bộ để điều chỉnh điện áp

Giả thiết công suất phản kháng cần phải bù tại b là Q bù thì phụ tải mạng sẽ là:

A b(yc) b b bu b b bu b(yc) b(yc) b(yc)

Khai triển biểu thức trên, ta có:

2 b bu 2 bu 2 2 b(yc) b(yc) b(yc)

Cuối cùng, ta sẽ có:

Từ đó, khi tính toán:

+ Nếu Q bù có dấu dương (+) nghĩa là máy bù cần làm việc ở trạng thái quá kích thích

+ Nếu Q bù có dấu âm (-) nghĩa là máy bù cần làm việc ở trạng thái thiếu kích thích

Nếu bỏ qua không xét đến thành phần δu của vector điện áp giảm ta có: b b bu

Vì vậy, công suất cần phải bù là:

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

- Khi chưa có thiết bị bù: b b

- Khi có thiết bị bù: b b bu

Vì điện áp ở đầu đường dây trước và sau khi bù không đổi nên: b b b b bu b b(yc) b b(yc) p R + q X p R + (q - Q )X

Giải phương trình trên, ta có: bu b b b b b(yc) b b(yc) b(yc) b

Do U b(yc) gần bằng U b nên gần đúng có thể xem tổn thất điện áp do U b(yc) và U b như nhau, vì vậy: b b b b b(yc) b p R + q X p R + q X

Phương trình trên được viết đơn giản như sau: bu b(yc) b b(yc)

Vì vậy, công suất cần phải bù là:

Phân tích kết quả tính toán, ta thấy:

- Nếu dùng biểu thức (3.21) thì dung lượng bù tính toán được sẽ chính xác nhất Phù hợp cho việc tính toán đường dây 220kV

Sử dụng biểu thức (3.22) dẫn đến dung lượng bù tính toán thấp hơn yêu cầu, với sai số từ 10 đến 20%, gây ra kết quả kém chính xác và giảm công suất của máy bù, do đó không nên áp dụng.

- Nếu dùng biểu thức (3.23) thì dung lượng bù tính được sẽ lớn hơn yêu cầu, sai số từ 5 ÷ 15% Phù hợp với khi tính toán đường dây 35 ÷ 110kV

Trong các công thức tính toán Q bù, cần đảm bảo rằng tất cả các giá trị điện áp được tính ở cùng một cấp điện áp Chẳng hạn, nếu U b và U b(yc) là điện áp thực tế ở bên hạ áp, thì giá trị X cũng phải được quy đổi về bên hạ áp Đồng thời, cần xem xét R và X là điện trở và điện kháng đẳng trị từ nguồn đến vị trí lắp đặt thiết bị bù.

+ Đối với mạng hở phân nhánh như Hình 3.4:

Nếu muốn tìm dung lượng bù đặt tại thanh cái hạ áp C của trạm biến áp

B 2 thì trong biểu thức (3.23) trị số của X sẽ bằng:

Hình 3.4 Sơ đồ mạng điện có phân nhánh

+ Đối với mạng kín phức tạp như Hình 3.5:

Để xác định công suất bù tại thanh cái hạ áp b, cần phải điều chỉnh điện áp tại vị trí này Quá trình này bao gồm việc biến đổi mạng điện và mô phỏng nó dưới dạng một đường dây nối từ A đến b, như được thể hiện trong Hình 3.5b.

Tổng trở đẳng trị của mạng cao áp là 3 đường dây song song:

(Z + Z )Z + (Z + Z )(Z + Z ) + Z (Z + Z ) Điện kháng toàn bộ đường dây là: XΣ = X tđ + X B2 (X B2 là điện kháng của máy biến áp tại trạm B 2 )

Vì vậy, để tính Q bù tại trạm B 2 vẫn dùng biểu thức (3.23) nhưng thay X bằng X Σ

Hình 3.5 Sơ đồ mạng điện kín a) Sơ đồ nối dây b) Sơ đồ thay thế

3.4.2 Xác định dung lượng bù công suất phản kháng khi đặt thiết bị bù tại nhiều trạm Để giữ điện áp ở các hộ tiêu thụ điện trong giới hạn cần thiết trong hệ thống điện thì thiết bị bù phải đặt không những ở một mà nhiều trạm biến áp

Trong trường hợp sơ đồ như Hình 3.6, nếu đồ thị phụ tải của các trạm T b và T c không đồng nhất, việc điều chỉnh điện áp toàn mạng bằng thiết bị bù tại một trạm sẽ không khả thi Để giải quyết vấn đề này, cần xác định dung lượng bù cho mạng điện có một nguồn cung cấp.

Xét phương pháp xác định dung lượng bù cần đặt tại hai trạm

Gọi điện áp thứ cấp của hai trạm T b và T c là U b và U c Giả thiết rằng nếu

U b và U c không thỏa mãn yêu cầu của phụ tải và cần phải đảm bảo điện áp trên thanh góp thứ cấp của các trạm đó là U b(yc) và U c(yc)

Hình 3.6 Mạng điện có đặt bù tụ điện tại hai trạm biến áp T b và T c

Gọi U’ b , U’ c , U’ b(yc) và U’ c(yc) là các giá trị điện áp thứ cấp (hạ áp) đã quy đổi về bên sơ cấp (cao áp), khi ấy:

Vì vậy, điện áp của trạm T b cần phải thay đổi một giá trị là:

Và điện áp của trạm Tc cần phải thay đổi một giá trị là:

Vì vậy, ta có thể thành lập được 2 phương trình:

- Đối với mạch ABb, ta có:

Tb b bu yc B c bu b bu b U

- Đối với mạch ABc có:

Tb c bu yc B c bu b bu c U

X 1 và X 2 : Điện kháng của dây dẫn trên đoạn 1 và 2;

X Tb và X Tc : Điện kháng của máy biến áp của trạm b và c;

U B(yc) : 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 : Điện áp trên thanh góp cao áp của trạm Tb trước khi đặt thiết bị bù

Giải hệ phương trình (3.24) và (3.25), ta sẽ tìm được công suất Q bù_b và

Q bù_c cần đặt tại hai trạm T b và T c Đối với mạng có n trạm biến áp, ta lập hệ phương trình n ẩn (Q bù_1 ,

Q bù_2 , ,Q bù_n ) và n phương trình

 bun bu bu n bun bu bu bun bu bu

Để xác định dung lượng bù cho mạng điện kín, cần xem xét điều chỉnh điện áp trong hệ thống như hình 3.7 Vấn đề này trở nên phức tạp hơn khi yêu cầu đặt thiết bị bù Q bù_d và Q bù_b tại trạm T d.

T b để điều chỉnh điện áp Trước hết, ta phải tìm công suất của các thiết bị bù

Q bù_b và Q bù_c chạy trên các đoạn đường dây của mạng kín

Xác định được công suất của thiết bị bù chạy trên các đoạn 1 và 4 theo phương pháp phân phối công suất trong mạng điện kín:

Xác định được Q bù_1 và Q bù_4 theo Q bù_b và Q bù_d

Hình 3.7 Điều chỉnh điện áp trong mạng điện kín bằng tụ điện

Tính toán hoàn toàn như phần 1:

U Giải hệ phương trình trên, sẽ được Q bù_b và Q bù_d

Khi mạng có n trạm đặt thiết bị bù, thành lập hệ n phương trình, n biến và giải hệ phương trình để xác định được (Q bù_1 , Q bù_2 ,…, Qbù_n) như sau:

 bun bu bu n bun bu bu bun bu bu

3.4.3 Xác định dung lượng nhỏ nhất của máy bù đồng bộ và tụ điện tĩnh

Hình 3.8 Sơ đồ mạng điện 1 phụ tải

Xét sơ đồ mạng điện 1 phụ tải như Hình 3.8

Dung lượng bù cần thiết để điều chỉnh điện áp phụ thuộc vào điện áp U A ở đầu nguồn, điện áp U b ở cuối đường dây, và tổn thất điện áp trên đường dây tải điện trong các điều kiện phụ tải lớn nhất và nhỏ nhất Điện áp UA được xác định bởi tình trạng làm việc của hệ thống điện, trong khi điện áp U b không chỉ phụ thuộc vào trạng thái làm việc của hệ thống mà còn vào tỷ số biến đổi k của máy biến áp giảm áp B.

Tùy thuộc vào trị số của k, điện áp U b sẽ thay đổi, dẫn đến sự biến đổi của các dung lượng bù Nhiệm vụ chính là tìm tỷ số biến đổi k của máy biến áp giảm áp để tối ưu hóa dung lượng máy bù, nhằm điều chỉnh điện áp ở mức tối thiểu Đối với máy bù đồng bộ, điện áp tại thanh cái hạ áp b sẽ quy về phía cao áp.

U b : Điện áp thực trên thanh góp hạ áp

Trong tình trạng phụ tải cực đại và cực tiểu thì điện áp thực trên thanh góp hạ áp đó là: b2 b2

Gọi U b1(yc) và U b2(yc) là điện áp yêu cầu trên thanh góp hạ áp lúc phụ tải nhỏ nhất và lớn nhất

+ Lúc phụ tải nhỏ nhất, tổn thất điện áp cần phải bù bằng máy bù đồng bộ là:

+ Lúc phụ tải lớn nhất, tổn thất điện áp cần phải bù bằng máy bù đồng bộ là:

Chia các vế của (3.32) và (3.33) cho nhau, ta có:

Q bù : Công suất của máy bù đồng bộ lúc quá kích thích;

Điện kháng của mạng điện X1 và X2 tương ứng với tình trạng phụ tải nhỏ nhất và lớn nhất Để xác định dung lượng bù cần thiết cho cả phụ tải cực đại và cực tiểu, cần áp dụng biểu thức (3.23).

+ Đối với phụ tải cực đại:

+ Đối với phụ tải cực tiểu:

Máy bù đồng bộ hoạt động ở trạng thái thiếu kích thích sẽ chỉ sử dụng 50% dung lượng định mức so với khi làm việc ở trạng thái quá kích thích, điều này ảnh hưởng đến khả năng tiêu thụ công suất phản kháng của mạng.

Chia các vế của (3.36) và (3.35) cho nhau, ta có:

Cân bằng các vế phải của (3.34) và (3.37), ta có: b2(yc) 1 b1(yc) b1 b1(yc) 2 b2(yc) b2

Từ đó, ta tính được:

Vì vậy, dễ dàng tính được đầu phân áp:

U kt : Điện áp không tải bên hạ áp và thường U kt = 1,1U đm của mạng

Sau đó, chọn đầu phân áp tiêu chuẩn gần nhất, rồi tính lại tỷ số biến đổi thực của máy biến áp: pa(tc) t kt k = U

Với tỷ số biến đổi thực của máy biến áp, chúng ta có thể xác định điện áp thực tế tại thanh cái hạ áp của trạm giảm áp trong các điều kiện phụ tải cực đại và cực tiểu.

Khi điều chỉnh điện áp bằng tụ điện tĩnh, tỷ số biến áp k cần được chọn sao cho dung lượng bù là nhỏ nhất Tụ điện tĩnh chỉ phát ra công suất phản kháng, và khi phụ tải ở mức tối thiểu, chúng không hoạt động Do đó, việc chọn tỷ số biến đổi k là rất quan trọng để đảm bảo điện áp phù hợp.

46 thanh cái hạ áp của trạm giảm áp phải bằng điện áp yêu cầu của tải trong trường hợp phụ tải cực tiểu, như vậy: b1

Mà ta có k lại bằng: pa kt k = U

Nên dễ dàng tính được đầu phân áp: pa kt

U kt : Điện áp không tải bên hạ áp và thường Ukt = 1,1U n của mạng

Sau đó, chọn đầu phân áp tiêu chuẩn gần nhất, rồi tính lại tỷ số biến đổi thực của máy biến áp: pa(tc) t kt k = U

Với tỷ số biến đổi thực của máy biến áp, có thể xác định điện áp thực tế tại thanh cái hạ áp của trạm giảm áp trong các điều kiện phụ tải cực đại và cực tiểu.

U = U' k Đến đây có thể dùng biểu thức (3.23) để tính được dung lượng cần phải bù khi khụ tải cực tiểu, cực đại và sự cố

3.5 Phương thức tính toán và lựa chọn vị trí tối ưu đặt thiết bị bù trong mạng điện phân phối Đường dây thực tế bao gồm nhiều nhánh có phụ tải tập trung và phân bố đều Dòng điện phụ tải chạy trên đường dây gây ra tổn thất trên mỗi pha là RI 2 Dòng điện đó gồm hai thành phần: thành phần cùng pha với điện áp U gọi là thành phần tác dụng của dòng điện và thành phần vuông góc với điện áp U gọi là thành phần phản kháng của dòng điện Việc bù không có ảnh hưởng gì đến tổn thất công suất do thành phần tác dụng của dòng điện gây ra

Khi có dòng điện cảm chạy trên đường dây có điện trở R thì sẽ gây ra tổn thất trên một pha mà được biểu diễn như sau:

Sau khi có bù ngang với dòng điện dung I C thì dòng điện trên đường dây sẽ là I 1 và tổn thất công suất là RI 1 2

Như vậy, do có bù nên giảm được lượng tổn thất bằng:

Thay giá trị từ (3.40) và (3.41) vào biểu thức (3.42), ta có:

Như vậy, chỉ có thành phần phản kháng của dòng điện Isinφ và dòng điện bù I C có quan hệ đến việc giảm tổn thất công suất

48 Để phân tích và biểu diễn trên đồ thị được rõ ràng, ta sử dụng hệ đơn vị tương đối

Giả thuyết chiều dài của tuyến đường dây là 1,0 (đvtđ) mà được biểu diễn trên Hình 3.9 như sau d x

Hình 3.9 Đường dây chính có phụ tải phân bố đều và tập trung

Lựa chọn dung lượng bù theo quan điểm kinh tế

3.6.1 Xác định dung lượng bù kinh tế

Để xác định dung lượng công suất phản kháng trên đường dây và máy biến áp, cần lưu ý rằng khi dung lượng tăng, tổn thất công suất tác dụng ∆P cũng gia tăng Việc lắp đặt tụ điện tại phụ tải giúp giảm công suất phản kháng truyền tải, từ đó ảnh hưởng lớn đến chi phí truyền tải điện năng Tuy nhiên, không thể chỉ dựa vào tiêu chuẩn giảm tổn thất điện năng ∆A để quyết định dung lượng bù Qb, vì chi phí lắp đặt thiết bị tụ điện tĩnh có thể vượt quá lợi ích từ việc giảm ∆A Do đó, để đảm bảo hiệu quả kinh tế của mạng điện, quyết định về Qb cần dựa trên tiêu chuẩn chi phí hàng năm thấp nhất.

Hình 3.16 Sơ đồ mạch tải điện có đặt thiết bị bù

Gọi Z  là phí tổn tính toán toàn bộ trong một năm khi có đặt bộ tụ điện

Q bù tại trạm biến áp Giả thuyết rằng công suất tụ điện bù không thay đổi trong năm Phí tổn tính toán Z∑ bao gồm 3 thành phần:

59 a Phí tổn về tổn thất điện năng do đặt tụ điện

Hệ số khấu hao về hao mòn, sửa chữa và bảo quản được ký hiệu là a vh, với giá trị thông thường cho tụ điện tĩnh là avh = 0,1 Hệ số tiêu chuẩn thu hồi vốn đầu tư được ký hiệu là a tc, trong đó tc được xác định theo công thức tc T a 1.

Thời gian tiêu chuẩn thu hồi vốn đầu tư phụ (T tc) thường được xác định là 5 năm, với hệ số a tc là 0,2 Nếu T tc kéo dài đến 8 năm, thì a tc sẽ giảm xuống còn 0,125 Giá trị đầu tư cho một đơn vị dung lượng tụ điện, bao gồm cả chi phí xây lắp, được ký hiệu là k bu (đ/kVAr) Ngoài ra, cần lưu ý rằng có phí tổn liên quan đến tổn thất điện năng do tụ điện tiêu thụ.

Phí tổn về tổn thất điện năng do bản thân tụ điện tiêu thụ được biểu diễn như sau: t Q

Trong đó: g p : Giá tiền 1 kWh điện năng tổn thất

Tổn thất công suất tác dụng trong một đơn vị dung lượng bù cho tụ điện tĩnh được xác định là ∆Pbu = 0,005 kW/kVAr Thời gian hoạt động của tụ điện phụ thuộc vào vị trí lắp đặt; nếu đặt tại trạm biến áp khu vực, thời gian này là 8.760 giờ/năm, trong khi tại các xí nghiệp khác, thời gian dao động từ 2.500 đến 7.000 giờ/năm, tương ứng với chế độ làm việc từ 1 ca đến 3 ca mỗi ngày Ngoài ra, cần xem xét phí tổn về tổn thất điện năng trong mạng điện, bao gồm đường dây và trạm biến áp, sau khi đã lắp đặt thiết bị bù.

Phí tổn về tổn thất điện năng trong mạng điện (đường dây và trạm biến áp) sau khi đã đặt thiết bị bù được biểu diễn như sau:

Trong đó, tổn thất công suất là:

2 gần như không đổi trong nhưng phương án bù khác nhau nên ta không đưa vào

Q: Phụ tải phản kháng cực đại;

R: Điện trở của mạch điện; τ: Thời gian tổn thất công suất lớn nhất

Vì vậy, chi phí tính toán tổng của toàn mạng điện là:

Z n bu p bu bu p bu bu tc vh 2

Để xác định công suất Q bu ứng với phí tổn tính toán tổng của toàn mạng là nhỏ nhất, ta cần lấy đạo hàm bậc nhất của Z ∑ theo Q bu và đặt nó bằng không.

Q g Q t P g k a dU a dZ n bu p bu p bu tc vh bu

Giải phương trình trên, ta có:

Q p bu p bu tc vh n bu 2

Q: Tính bằng MVAr và k bu tính bằng đồng/MVAr; g p : Tính bằng đồng/MWh và U tính bằng kV;

Q bu : có đơn vị là MVAr

Q: Tính bằng kVAr và k bu tính bằng đồng/kVAr; g p : Tính bằng đồng/kWh và U tính bằng kV;

Q bu : Có đơn vị là kVAr với điều kiện nhân vế thứ 2 của biểu thức (3.77) với

Hình 3.17 Đồ thi phụ tải phản kháng năm

Nếu cho đồ thị phụ tải phản kháng như Hình 3.17 thì biểu thức (3.77) trên có thể viết như sau:

Q p bu p bu tc vh n tb bu 2

Nếu Q bu ≤ 0 thì việc bù là không có lợi về mặt kinh tế

Trong phương pháp này, có thể áp dụng để tìm dung lượng kinh tế cho một số phụ tải trên đường dây

Công suất tụ điện tại một điểm được tính bằng biểu thức (3.78) Khi mạng lưới có nhiều điểm cần bù, phí tổn tính toán cho toàn mạng sẽ được xác định dựa trên các điểm bù này.

         n i i i n p n i i bu bu p n i i bu bu tc vh Q r g U

Q bu_i : Công suất bù tại điểm thứ i;

Công suất phản kháng trên đoạn thứ i sau khi được bù được ký hiệu là Q i Thời gian tổn thất công suất lớn nhất, tính trung bình cho toàn mạng, được xác định dựa vào T max_tb (giờ) và cosφ tb Điện trở của đoạn đường dây thứ i được ký hiệu là r i.

U n : Điện áp định mức của mạng

Để xác định công suất tụ điện tối ưu với phí tổn tính toán nhỏ nhất, ta cần tính đạo hàm riêng bậc nhất của Z∑ theo Q bu_i và đặt nó bằng không Kết quả là một hệ n phương trình: Σ bu 1, Σ bu 2, , Σ bu n Hình 3.18 minh họa sơ đồ tính toán dung lượng bù tại nhiều điểm.

Để giải hệ n phương trình, ta xác định các giá trị Q bu_1, Q bu_2, , Q bu_n Nếu giá trị Q bù_i nhận được là âm, điều này cho thấy việc đặt bù tại hộ tiêu thụ đó không hợp lý về mặt kinh tế Trong trường hợp hộ tiêu thụ không cần bù nữa, ta thay Q bù_i bằng 0 trong hệ phương trình.

Z và giải lại hệ phương trình

3.6.2 Phân phối dung lượng bù phía sơ cấp và thứ cấp máy biến áp

Khi xác định dung lượng bù cho một nhánh trong hệ thống điện, cần phân phối hợp lý giữa sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp để tối ưu hóa hiệu quả Mặc dù giá thành 1 kVAr tụ điện ở điện áp cao (6-10 kV) rẻ hơn so với tụ điện ở điện áp thấp (220 V hoặc 380 V), việc lắp đặt tụ điện ở phía điện áp thấp giúp giảm tổn thất công suất hiệu quả hơn Do đó, việc tìm ra dung lượng bù tối ưu cho phía điện áp thấp là rất quan trọng.

Dung lượng bù phía điện áp thấp, được gọi là Q bu_th, có chênh lệch vốn đầu tư so với việc đặt dung lượng bù ở phía điện áp cao.

Trong đó: a th và a c : Giá thành 1kVAr tụ điện áp thấp và cao (đồng/kVAr)

Số tiền tiết kiệm được mỗi năm do đặt tụ điện ở phía điện áp thấp là:

Q: Phụ tải phản kháng của máy biến áp phân xưởng bao gồm cả ∆Q trong máy biến áp (kVAr);

Q bu_th : Dung lượng bù phía điện áp thấp (kVAr);

R B : Điện trở của máy biến áp được quy đổi về phía điện áp thấp (Ω);

Điện trở tương đương của mạng điện áp thấp được ký hiệu là R tđ (Ω), trong khi hệ số k phản ánh số ca làm việc trong ngày, với các giá trị k = 0,3 cho 1 ca, k = 0,55 cho 2 ca, và k = 0,75 cho 3 ca Giá điện năng được biểu thị bằng g p (đồng/kWh), và tổng số giờ làm việc trong năm là t = 8760 giờ.

U: Điện áp định mức của mạng điện thấp (kV)

Thời gian thu hồi vốn đầu tư, ký hiệu là n, được tính bằng năm, sau khoảng thời gian này, số tiền tiết kiệm đạt được là nv Số tiền này không chỉ bù đắp chênh lệch vốn đầu tư V mà còn vượt qua một lượng F, trong đó F đại diện cho hiệu quả kinh tế từ việc phân phối dung lượng Q sang phía điện áp thấp của máy biến áp phân xưởng.

        th bu th bu c th p td B th bu a a Q f Q

Hiệu quả kinh tế của phương án phụ thuộc vào Q bu_th Bằng cách lấy đạo hàm, chúng ta có thể xác định giá trị tối ưu Q bu_th để hàm F đạt cực đại Giá trị tối ưu này được tính theo biểu thức cụ thể.

 B td  p c th uu t th bu nkg t R R

Biểu thức (3.83) được viết thành: td B uu t th bu R R

Thông thường, do chưa xác định được vị trí đặt tụ tiện trong các nhánh của mạng điện áp thấp, người thiết kế không có đủ số liệu để tính toán R tđ.

Một cách gần đúng, chúng ta có thể tính R tđ qua điện trở của máy biến áp R B bằng biểu thức sau: R tđ = λR B

Trong đó: λ: Hệ số có các giá trị sau;

- Đối với trạm trong hoặc kề phân xưởng:

+ Mạng là dây dẫn hoặc cáp, λ = 0,4

- Đối với trạm ngoài phân xưởng, λ = 0,8

Vì vậy, dung lượng bù tối ưu phía điện áp thấp của máy biến áp phân xưởng được xác định theo biểu thức sau:

Q bu_cao = Q bu - Q bu th,t.uu Điện trở của máy biến áp quy về điện áp thấp có thể dựa vào bảng sau:

Bảng 3.1 Điện trở của máy biến áp được quy về phía U = 380 V

kV Huyện Mỏ Cày Nam - Bến Tre