Vấn đề COS phi, bù công suất phản kháng và thị trường điện năng phản kháng

Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o ®¹i häc th¸i nguyªn TRƯỜNG ®¹i häc kü thuËt c«ng nghiÖp DƯƠNG hßa an VÊn ®Ò cos, bï c«ng suÊt ph¶n kh¸ng vµ thÞ TRƯỜNG ®iÖn n¨ng ph¶n kh¸ng Chuyªn ngµnh: thiÕt bÞ m¹ng vµ hÖ thèng ®iÖn LuËn v¨n th¹c sü khoa häc kü thuËt Th¸i nguyªn n¨m 2008 Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o ®¹i häc th¸i nguyªn TRƯỜNG ®¹i häc kü thuËt c«ng nghiÖp DƯƠNG hßa an VÊn ®Ò cos, bï c«ng suÊt ph¶n kh¸ng vµ thÞ TRƯỜNG ®iÖn n¨ng ph¶n kh¸ng Chuyªn ngµnh: thiÕt bÞ m¹ng vµ nhµ m¸y ®iÖn LuËn v¨n th¹c sü khoa häc kü thuËt Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Ph¹m V¨n Hßa Th¸i nguyªn n¨m 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 : - Đi nghiên cứu phƣơng pháp để xác định dung lƣợng đặt thiết bị bù, vị trí đặt bù, nhằm đem lại hiệu quả tối ƣu cả về kinh tế và kỹ thuật. - Nghiên cứu thị trƣờng điện năng phản kháng. Đề tài ‘ Vấn đề cos , bù công suất phản kháng và thị trƣờng điện năng phản kháng ‘ gồm bốn phần nhƣ sau : 1. Tổng quan . 2. Chƣơng trình tính toán bù tối ƣu công suất phản kháng, có xét đến chất lƣợng điện năng và phân tích kinh tế tài chính. 3. Tính toán áp dụng : 4. Thị trƣờng điện năng phản kháng. 5. Kết luận và kiến nghị. Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của PGS.TS Phạm Văn Hòa, tôi xin chân thành cảm ơn những đóng góp của thầy giáo hƣớng dẫn, các thầy cô giáo trƣờng đại học bách khoa Hà Nội, và các thầy cô giáo trƣờng đại học Công nghiệp Thái Nguyên. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn những đóng góp quý báu của các bạn đồng nghiệp, ngƣời thân và gia đình đã động viên và giúp tôi trong quá trình thực hiện. Xin gửi lời chân thành cảm ơn đến các cơ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 quan xí nghiệp, đã giúp tôi khảo sát tìm hiểu thực tế và lấy số liệu phục vụ cho luận văn. Mặc dù bản thân đã có nhiều cố gắng, song bản luận văn này vẫn còn nhiều hạn chế, tôi rất mong đƣợc sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp để luận văn này đƣợc hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn. Thái Nguyên ngày tháng năm 2008 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 1.5.1 Phương pháp xác định dung lượng tụ bù theo biểu đồ công suất phản kháng của phụ tải : 1.5.2 Bù công suất phản kháng nâng cao hệ số cos :…………..………..19 1.5.3 Mô hình bù công suất phản kháng theo điều kiện cực tiểu tổn thất công suất:…………………………………………………………………..……20 1.5.4 Mô hình bù công suất phản kháng dựa trên chỉ tiêu tối đa hóa các tiết kiệm…………………………………………………………………..………23 1.5.5 Mô hình tính bù theo điều kiện chỉnh điện áp…………………..……24 1.5.6 Mô hình bù công suất phản kháng dựa trên chỉ tiêu cực tiểu hàm chi phí tính toán………………………………………………………….……….…26 1.5.7 Phương pháp xét đến độ nhạy của chi tiêu ổn định điện áp, độ lệch điện áp và tổn thất công suất tác dụng đối với sự biến đổi công suất phản kháng nút………………………………………………………….…….…..…...28 1.5.8 Mô hình quy hoạch hỗn hợp………………………….………..…….. ..31 1.6. Tìm hiểu cos và bù cos tại một số nhà máy xí nghiệp…….…..…32 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 1.6.1 Các phụ tải đã tiến hành điều tra ………………………….………….33 1.6.2.Một số nhận xét từ kết quả thưc tế………………………….…………33 1.6.3 Tóm tắt và kiến nghị ........................................................................38 Chƣơng II: -CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN BÙ TỐI ƢU CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG, CÓ XÉT ĐẾN CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ PHÂN TÍCH KINH TẾ TÀI CHÍNH………................................................................39 2.1. Phƣơng pháp luận và sơ đồ khối thuật toán…………………………..39 2.1.1 Mô hình tổng quát bài toán bù công suất phản kháng trong lưới phân phối:……………………………………………………………………….39 2.1.2. Hàm mục tiêu……………………………………………………..….….40 2.1.3 Các ràng buộc…………………………………………..……….….….. 42 2.1.4 Mô hình bài toán bù công suất phản kháng khi có xét đến máy biến áp: ………………………………………………………………………………..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 Tài liệu tham khảo.............................................................................................86 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 CHƢƠNG I ; TỔNG QUAN 1. VẤN ĐỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG LƢỚI ĐIỆN: 1.1 Vấn đề bù công suất phản kháng trong hệ thống điện: Trong hệ thống điện luôn có phần tử tiêu thụ và nguồn phát công suất phản kháng. Phần tử tiêu thụ là máy biến áp, động cơ không đồng bộ, trên đƣờng dây điện và mọi nơi có từ trƣờng. Yêu cầu công suất phản kháng chỉ có thể giảm tối thiểu chứ 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 đảm bảo cos cũng đƣợc phân phối hợp lý nhằm giảm tối đa tổn thất điện năng. 1.2 Nguồn công suất phản kháng : Về nguồn công suất phản kháng thấy rằng : Khả năng phát công suất phản kháng của máy phát rất hạn chế. Vì lý do kinh tế ngƣời ta không làm các máy phát có khả năng phát nhiều công suất phản kháng đủ cho phụ tải, đặc biệt là ở chế độ max. Các máy phát chỉ đảm đƣơng một phần yêu cầu công suất phản kháng của phụ tải, chủ yếu làm nhiệm vụ điều chỉnh công suất phản kháng trong hệ thống điện đáp ứng nhanh chóng các yêu cầu luôn thay đổi của phụ tải. Phần còn lại trông vào các nguồn công suất bù. Có hai loại nguồn công suất phản kháng là máy bù đồng bộ và tụ điện. -Tụ điện đƣợc sử dụng rộng rãi để bù công suất phản kháng trong mạng điện, nó có thể mắc trên thanh cái của các trạm biến áp, hoặc tại các điểm nút của mạng điện. Tụ điện có thể mắc độc lập hoặc mắc thành từng nhóm theo yêu sơ đồ đấu Y, hoặc đấu tam giác. Hình 1.1 Sơ đồ mắc tụ bù tĩnh Đối với lƣới điện hiện nay chủ yếu sử dụng tụ điện tĩnh do các ƣu điểm sau: S=P+jQ QC ~ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 9 - 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 10 + Tổn thất kinh doanh : Là tổn thất trong khâu kinh doanh điện năng do: điện năng tiêu dùng không đo đƣợc, điện năng đo đƣợc nhƣng không vào hóa đơn, điện năng vào hóa đơn nhƣng không đƣợc trả tiền hoặc trả chậm. 1.3.2 Phương thức bù kinh tế công suất phản kháng trong lưới phân phối và bài toán bù kinh tế : Lợi ích khi đặt bù : - Giảm đƣợc công suất tác dụng yêu cầu ở chế dộ max của hệ thống điện do đó giảm đƣợc dự trữ công suất tác dụng hoặc tăng độ tin cậy của hệ thống. - Giảm đƣợc tổn thất điện năng. - Cải thiện đƣợc chất lƣợng điện áp. - Giảm nhẹ tải cho máy biến áp trung gian và đƣờng trục trung áp giảm đƣợc yêu cầu công suất phản kháng, tăng tuổi thọ cho thiết bị. Chi phí khi đặt bù: - Vốn đầu tƣ và chi phí vận hành cho trạm bù. - Tổn thất điện năng trong tụ bù. Giải bài toán bù công suất phản kháng là xác định : Số lƣợng trạm bù, vị trí đặt của chúng trên lƣới phân phối, công suất bù và chế độ làm việc của tụ bù sao cho đạt hiệu quả kinh tế cao nhất. 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 Qmax , Công suất bù là Qbù 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 : qb(t)= q(t)- Qb -Trên hình 2.1 b : qb1(t) ứng với Qb=Qmin. -Trên hình 2.1 c : qb2(t) ứng với Qb=Qtb. -Trên hình 2.1 d : qb1(t) ứng với Qb=Qmax. Từ các đồ thị kéo dài của công suất phản kháng ta thấy : khi đặt tụ bù đồ thị kéo dài công suất phản kháng mới có thể nằm trên, nằm dƣới hoặc cắt trục hoành tùy thuộc vào độ lớn của công suất bù. Công suất phản kháng dƣơng có nghĩa là nó đi từ nguồn đến phụ tải còn âm có nghĩa là đi ngƣợc từ phụ tải về nguồn. Dù đi theo hƣớng nào công suất phản kháng đều gây ra tổn thất công suất tác dụng nhƣ nhau nếu độ lớn nhƣ nhau. Trong trƣờng hợp Qb=Qmin (hình 1.2 b) thì trong các chế độ trừ chế độ min phụ tải phải nhận công suất từ nguồn, còn trong chế độ max chỉ giảm đƣợc lƣợng công suất phản kháng Q=Qmax- Qb=Qmax-Qmin. Trong trƣờng hợp Qb=Qmax ( 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 Qb=Qtb(hình 1.2 c), trong 1 nửa thời gian công suất phản kháng đi từ nguồn đến phụ tải còn trong nửa thời gian còn lại công suất phản kháng đi từ tụ bù đi ngƣợc về nguồn. Yêu cầu công suất phản kháng không giảm đƣợc nhiều nhƣng đồ Qmax Qmax qb1(t) Qb=Qmax Qb=Qtb Qtb + 0 0 - b) T c) qb2(t) T Qmin + 0 t 0 t b) T c) qb2(t) - T Qmax Qb=Qmax Qmin d) 0 qb3(t) - T + công suất phản kháng đến tải. - công suất phản kháng đi về nguồn. R Qmax [KVAr] Qb[KVAr] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 13 thị này cho tổn thất điện năng nhỏ nhất có nghĩa là độ giảm tổn thất điện năng lớn nhất. Bởi vì tổn thất điện năng phụ thuộc vào độ bằng phẳng của đồ thị công suất phản kháng, độ thị cằng bằng phẳng thì tổn thất điện năng càng nhỏ (theo nguyên tắc bình phƣơng cực tiểu). Tóm lại nếu cho phép bù không hạn chế thì : -Qb=Qmax cho độ giảm tổn thất công suất tác dụng và độ giảm yêu cầu công suất phản kháng ở chế độ max lớn nhất. -Qb=Qtb 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 Qmin và Qtb. 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 U QQtqtq R U Qtq P bbbb 22 2 2 )(.2)())(( Lợị ích về tổn thất công suất tác dụng sau khi bù chính là độ giảm tổn thất công suất tác dụng do bù: 22 2 ))(.2(.).(.2 )( U QtqQR R U QQtq PPtDP bbbbb (1.1) Lợi ích do giảm tổn thất công suất tác dụng chỉ có ý nghĩa ở chế độ max của hệ thống khi mà nguồn công suất tác dụng bị căng thẳng, lúc đó q(t)=Qmax và: R U QQtQ DP bb 2 2 max ).(.2 (1.2) Ta dễ thấy DP sẽ lớn nhất khi Qb=Qmax. R U Q DP 2 max 2 max Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 14 Để giảm tổn thất điện năng trong thời gian xét T là tích phân của DP(t) trong khoảng thời gian xét T: 2 max 22 2 2 0 2 ).2(..].2[.....2 ..]).(.2[ U QQKQRT U QQQRT U QTQTQ U dtRQQtq DA bsdqbbtbbbbb T bb (1.3) Vì tbQdttq T )( 1 và Ksdq=Qtb/Qmax. Lấy đạo hàm riêng của 1.3 theo Qb, đặt =0 rồi giải ta đƣợc giá trị của Qb cho độ giảm tổn thất điện năng lớn nhất: 0 2.2 2 R U QTQ Q DA btb b rút ra Qbopt=Qtb Khi đó 2 2 max U Q RTDA tb Cần lƣu ý rằng để có thể giải bài toán bù, trƣớc hết phải tiến hành đo đạc đồ thị công suất phản kháng trên lƣới phân phối dự định đặt bù để đảm bảo bù đem lại hiệu quả thực sự. 1.4.2 Lƣới phân phối có phụ tải phân bố đều trên trục chính : Xét lƣới phân phối trên hình dƣới đây : a) b) Hình 1.3 QN 0 B C A L 0 r0[ /km] q0[KVAr/km] L[km] Qb lb 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. Ta xét chế độ max : Tổn thất công suất trƣớc khi bù là : ).3/(.. 23 2 001 ULqrP Ta đặt bù sao cho công suất phản kháng QN từ nguồn cấp cho đoạn lx (đoạn 0B) còn tụ bù cung cấp công suất phản kháng Qb cho đoạn L-lx (đoạn BA ) QN=lx.q0 Qb=(L-lx).q0 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-lx)/2 và công suất phản kháng Qb/2. Vị trí bù sẽ là: lb= lx+ (L-lx)/2=(L+lx)/2 Tổn thất công suất tác dụng trên đoạn lx là: 2 0 2 0 3 2 0 2 0 .3 .. .3 ..).( U rql U rlql P xxxN Tổn thất công suất tác dụng trên đoạn L-lx là: 2 0 2 0 3 2 02 0 .12 ..)( .6 ).( .]2/)..[2 U rqlL U rlL qlLP xxxb Tổn thất công suất tác dụng sau khi bù là: ..3].4/)([ .12 )().3/(.. 23 32 002 2 03 0 2 0 23 2 UlLlqr U q lLrUrqlPPP xxxoxbN Độ giảm tổn thất công suất tác dụng do bù là: ]4/)([ .3 . .3 . 33 2 0 2 03 2 0 2 0 21 xx lLl U rq L U rq PPDP (1.4) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 16 Lấy đạo hàm của DP theo lx rồi đặt =0 và giải ta đƣợc lxop. 0]4/)(3.3[ .3 . 22 2 0 2 0 xx x lLl U rq l DP 3 L lbop Từ đây ta có vị trí bù tối ƣu 3 2L lxop Nhƣ vậy muốn độ giảm tổn thất công suất tác dụng do bù lớn nhất nguồn điện phải cung cấp công suất phản kháng cho 1/3 độ dài lƣới điện, tụ bù cung cấp công suất phản kháng cho 2/3 còn lại và đặt ở vị trí các đầu lƣới điện 2/3L. Từ đây cũng tính đƣợc công suất bù tối ƣu là 2/3 công suất phản kháng yêu cầu. Dễ dàng chứng minh đƣợc rằng để có độ giảm tổn thất điện năng lớn nhất vẫn phải đặt bù tại 2/3 L nhƣng cs bù tối ƣu là 2/3 công suất phản kháng trung bình. Trong lƣới điện phức tạp vị trí bù tối ƣu có thể xê dịch một chút so với lƣới điện đơn giản xét ở đây. Hai trƣờng hợp đơn giản trên cho thấy rõ về các khái niệm nhƣ : Độ giảm tổn thất công suất tác dụng, độ giảm tổn thất điện năng do bù, công suất bù tối ƣu theo các điều kiện giảm tổn thất công suất tác dụng, Giảm tổn thất điện năng, vị trí đặt bù cũng nhƣ điều kiện cần để giải bài toán bù. 1.5 Một Số phƣơng pháp tính bù công suất phản kháng : 1.5.1 Phương pháp xác định dung lượng tụ bù theo biểu đồ công suất phản kháng của phụ tải : Dung lƣợng tụ bù cố định : Qbcđ=Qmin(KVAr) (1.5) Dung lƣợng tụ bù đóng cắt xác định : 7.0 max )( Q Q đóngcătcôđôđib (1.6) 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 đ ịnh 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). -Chƣa xét đến hiệu quả kinh tế của việc bù công suất phản kháng. 1.5.2 Bù công suất phản kháng nâng cao hệ số cos : Bằng cách đặt các thiết bị bù tại các hộ dùng điện để cung cấp công suất phản kháng cho chúng, ta giảm đƣợc lƣợng công suất phản kháng phải truyền tải trên đƣờng dây do đó nâng cao đƣợc hệ số cos của mạng. Nhƣng biện pháp bù công suất phản kháng không làm giảm lƣợng công suất phản kháng tiêu thụ của các hộ phụ tải mà chỉ giảm đƣợc lƣợng công suất phản kháng truyền tải trên đƣờng dây đó mà thôi. Vì thế chỉ sau khi thực hiện các biện pháp nâng cao cos tự nhiên mà vẫn không đạt yêu cầu thì chúng ta mới xét đến phƣơng bù nay. Dung lƣợng bù đƣợc xác định theo công thức: Qb= .P.(tg 1- tg 2) [KVAr] (1.7) Trong đó: -P là phụ tải tính toán của hộ tiêu thụ điện KW. - 1 là góc ứng với hệ số trung bình (cos 1) trƣớc khi bù. - 2 là góc ứng với hệ số công suất mong muốn (cos 2) sau khi bù. - = 0.9 1 là hệ số xét tới khả năng nâng cao cos bằng những phƣơng pháp không đòi hỏi đạt thiết bị bù. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 19 Đứng về mặt tổn thất công suất tác dụng của hộ dùng điện thì dung lƣợng bù có thể xác định theo quan điểm tối ƣu. Do bù có thể tiết kiệm đƣợc một lƣợng công suất tác dụng: DP=(Kkt-kb). Qb [KW] (1.8) Trong đó: Kkt 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) DPp – 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 Qb <<Q có thể coi Qb /Q=0 nên kkt=2.Q.R/U 2. (1.10) Giá trị của kkt =0,02-0,12 KW/kVAr phụ thuộc vào công thức cấp điện của hệ thống (Bảng 1). Bảng 1: Giá trị của kkt theo phƣơng thức cấp điện. STT Phƣơng thức cấp điện cho hộ tiêu dùng kkt 1 Từ máy phát 0,02 0,04 2 Qua một cấp biến áp 0,04 0,06 3 Qua hai cấp biến áp 0,05 0,07 4 Qua 3 cấp biến áp 0,08 0,12 Kb- Suất tổn thất công suất tác dụng trong thiết bị bù, KW/kVAr. Đối với thiết bị bù là tụ điện, kb=0,003 0,005 kW/KVAr. Nhƣ vậy DP=f(Qb), 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 U2/(2R) và thay vào công thức trên ta đƣợc: )1( kt b bopt k k QQ [KVAr] (1.12) Qbopt – không nhất thiết trùng với Qb đƣợc tính theo công thức 1.7, đứng về phía các hộ tiêu thụ thì nên bù một lƣợng bằng Qbopt là kinh tế hơn cả, song do lợi ích chung của toàn hệ thống điện, thƣờng nhà nƣớc quy định hệ số công suất tiêu chuẩn mà các hộ tiêu thụ nhất thiết phải đạt đƣợc, mặc dù đối với từng hộ dùng điện cụ thể cos tiêu chuẩn đó chƣa phải là tốt nhất. Vì vậy, trong thực tế ngƣời ta thƣờng tính dung lƣợng bù theo công thức (1.7) Phƣơng này đặc biệt đơn giản, dễ áp dụng nên đƣợc sử dụng rộng dãi, biết công suất P, hệ số cos 1 của phụ tải, hệ số cos 2 yêu cầu ta có thể tính nhanh đƣợc lƣợng công suất phản kháng cần bù. Vấn đề đặt ra là phân phối dung lƣợng bù đó ra sao cho đạt hiệu quả kinh tế nhất, thƣờng các bài toán này tiến hành theo nguyên tắc đảm bảo tổn thất công suất tác dụng P do công suất phản kháng gây ra là nhỏ nhất. Trong các xí nghiệp công nghiệp, mạng điện thƣờng là hình tia hoặc phân nhánh vì vậy việc phân phối dung lƣợng bù theo nguyên tắc trên có thể thực hiện dễ dàng. * Ƣu điểm: Đơn giản, dễ áp dụng, dễ lấy số liệu. * Nhƣợc điểm : Mô hình này chỉ thích hợp với lƣới điện xí nghiệp công nghiệp là lƣới có phụ tải phản kháng cao, hệ số cos thấp. 1.5.3 Mô hình bù công suất phản kháng theo điều kiện cực tiểu tổn thất công suất: Bằng việc giải tích mạng điện, tính toán phân bổ công suất, ứng với mỗi chế độ xác lập, ta tính đƣợc điện áp tại các nút và tổn thất P, Q của hệ thống. Trong đó tổn thất công suất của nhánh i của mạng điện đƣợc xác định theo công thức: 3 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 Si=Pi+jQi là công suất đi vào nút i trên nhánh i, KVA. Zi=Ri+jXi là tổng trở của nhánh, . Khi đặt một giá trị bù Qi vào nút i, các biểu thức(1.13) (1.14) trở thành 3 2 22 1 10.. )( i i biii R U QQP P (1.15) 3 2 22 1 10.. )( i i biii X U QQP Q (1.16) Xem Pi và Qi là các hàm mục tiêu với biến Qbi 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 Qbi tại các nút i sao cho P (Qbi) 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 biên Qb min Qb Qb max . Với bài toán giải tích mạng điện có n nút, các hàm F(Qbi)= P(Qbi) trở thành hàm đa biến với i=1 n. Bài toán bù tối ƣu công suất phản kháng theo điều kiện cực tiểu tổn thất công suất tác dụng đƣợc phát biểu nhƣ sau: Cần xác định các giá trị Qb1,Qb2,….Qbn sao cho: F(Qb1,Qb2,….Qbn)= P(Qb1,Qb2,….Qbn i) min Với các điều kiện biên: Qb min Qb Qb max . (1.17) Trong đó Qbi - Giá trị bù tối ƣu tại nút i. Qb min, Qb max _- Các giá trị giới hạn bù min và bù max tại nút i. F(Qbi) – tổn thất công suất ứng với giá trị Qbi đặt tại nút i. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 22 12 1 2 1 2 1 . )( )()( R U QQP QPQF biibi (1.18) Các rằng buộc trong bài toán tối ƣu là định luật Kirchof 1 cho công suất phản kháng tại các nút có yêu cầu bù vô công. 11 bnb2b1 ).Q,Q,Q( m I jj Ig (1.19) Từ đây thành lập hàm lagrange: m i 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(Qbi, j). Xem xét các hằng số j Lagrange là biến, lấy đạo hàm riêng phần biểu thức trên lần lƣợt theo các biến Qbi và j ta có hệ phƣơng trình: bi m j j i j bi j m j bi i bi bi bi Q L gQPL Q g Q QP Q L 2 2 1 1 )( )( Với i=1 n; j=1 n. (1.20) Giải hệ (m+n) phƣơng trình trên kết hợp với điều kiện biên ta tìm đƣợc n nghiệm Qbi 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 hi (i=1,2,…n) và các kích cỡ Qbi(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. Hình 1.5 Vị trí lắp đặt và kích cỡ tụ điện Các tiết kiệm ròng đạt đƣợc từ giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng : S= CpDP +C .DA-Kc Qbi (1.21) Với Cp, C , Kc là các hệ số kinh tế, giá của mỗi đơn vị tổn thất công suất, tổn thất điện năng và dung lƣợng tụ bù. DP, DA- Độ giảm công suất đỉnh, độ giảm tổn thất điện năng do tác dụng của n tụ bù ngang. Mô hình này có thể giải bằng phƣơng pháp lặp cho từng bài toán nhỏ, tìm biến tối ƣu cục bộ (vị trí, kích thƣớc, thời g._.ian đóng cắt tối ƣu) từ đó xác định lời giải tối ƣu toàn cục. Pi+jQi Qb Pn+jQn Qbn 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 Cp, C , Kc 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 Cp=0, , Kc=0, 1.5.5 Mô hình tính bù theo điều kiện chỉnh điện áp: Trƣớc khi bù tổn thất điện áp trong mạng là: )( 100 1 2 iiii n XQRP U U (1.22) lấy cho toàn đƣờng dây. Sau khi tổn thất điện áp giảm đi một lƣợng là: i n b X U U 2 100 1 (1.23) lấy điểm đặt bù. Sau khi bù: U’= U- Ub Bản chất vấn đề không thay đổi nếu ta coi tổn thất U của lƣới vẫn giữ nguyên nhƣng đƣa thêm vào đầu nguồn một độ tăng điện áp Ek: ib n bk XQ U UE 2 100 1 (1.24) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 25 Nếu biết Ek ta tính đƣợc Qb, với đƣờng dây cùng tiết diện: XEUQ knb /.10 2 [KVAr] (1.25) X- là điện kháng của đƣờng dây tính đến điểm đặ bù, . Nếu công suất cần bù quá lớn thì có thể chia ra làm nhiều điểm đặt bù (hình 1.6). Ta có phƣơng trình: knbb EUXQXQ 2 2211 .10...... (1.26) Hình 1.6 Phân phối công suất tụ bù trong mạng điện Trên cơ sở phân tích, so sánh các phƣơng án ta sẽ lựa chọn đƣợc địa điểm đặt dung lƣợng bù hợp lý. *Ƣu điểm: đơn giản, có thể dễ dàng xác định đƣợc dung lƣợng tụ khi biết dung lƣợng tăng thêm điện áp. - Do đặt bù theo điều kiện điện áp nên có thể bù sâu đƣợc, làm giảm đáng kể tổn thất trong mạng. - Có thể kết hợp với chọn nấc điều chỉnh ở máy biến áp để đƣợc dung lƣợng bù là bé nhất. *Nhƣợc điểm: Điểm đặt bù khá phân tán gây khó khăn cho việc vận hành và điều chỉnh dung lƣợng. - Với lƣợng điện bao gồm nhiều nút, nhánh, số phƣơng án đặt bù sẽ lớn, việc tìm ra lời giải về điểm đặt bù và dung lƣợng tối ƣu tƣơng đối phức tạp. Xi Qb1 Qbi Qbn Hình 1.6 Phân phối công suất tụ bù trong mạng điện X1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 26 - Không xét tới yếu tố kinh tế của việc lắp đặt tụ. 1.5.6 Mô hình bù công suất phản kháng dựa trên chỉ tiêu cực tiểu hàm chi phí tính toán: Xét mạng điện gồm n nút (không kể nút nguồn cung cấp), đối với mỗi nút i, ký hiệu công suất cực đại của phụ tải Sti=Pti+jQti công suất bù Qbi , đối với mỗi nhánh i tổng trở Zi=Ri+jXi, công suất truyền tải đến cuối đƣờng dây: S i=Pi+jQi (vì mạng có sơ đồ hở nên luôn có thể ký hiệu thứ tự nhánh theo số hiệu nút của nó). Tổn thất công suất tác dụng trên nhánh thứ i xác định theo công thức: 23 2 22 32 .10.10...3 iiii i ii ii QBAR U QP RIP [KW] (1.27) Với P i, Qi, Ui đều đƣợc tính ở cuối nhánh; Khi tính gần đứng có thể lấy Ui Un (điện áp định mức tại nút i). Tổn thất công suất trong toàn mạng sẽ là: n i iii QBAP 1 2 ).( [KW] (1.28) Ai,Bi là những hằng số. Gọi là thời gian tổn thất công suất lớn nhất, C là giá trị tổn thất lấy bằng giá bán điện trung bình, ta tính đƣợc chi phí tổn thất hằng năm: P. . C [đồng/năm] (1.29) Vốn đầu tƣ cho thiết bị bù tại nút i: Vi=koi+KiQbi [đồng] (1.30) Trong đó : Ki là suất vốn đầu tƣ tính cho một đơn vị công suất bù, đ/KVAr. koi là phần vốn phụ thuộc vào dung lƣợng bù đồng/trạm. Vốn đầu tƣ cho thiết bị bù: n i biii n i i QkkVV 1 0 1 )( (1.31) Dùng hàm mục tiêu là cực tiểu chi phí tính toán ta có : Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 27 min)].(.)..([. 1 2 0 n i iiibiiitctc QBACQkykaCVaZ (1.32) Cần chú ý koi 0 chỉ khi Qbi 0, ngƣợc lại koi=0. Để thể hiện điều này trong hàm mục tiêu có thể sử dụng các biến nguyên yi với : 01 00 bi bi i khiQ khiQ y (1.33) atc hệ số tiêu chuẩn thu hồi vốn đầu tƣ ban đầu. Đây là trƣờng hợp riêng của hàm phi tuyến, có chứa các điểm rời rạc tại gốc tọa độ. Hệ rằng buộc cần thiết lập bao gồm : - Mỗi nút có phƣơng trình cân bằng công suất phản kháng dạng : 0).( 2 k kkkktibi QDCQQQQ (1.34) Với i=1,2…n. Tổng k lấy ứng với các nhánh xác định theo thông số nhánh : k n k k X U P C 2 2 2 n k k U X D (1.35) -Giới hạn dung lƣợng bù tại các nút có thể viết dƣới dạng: Qbi min Qbi Qbi max với i=1,2..n. (1.36) - Giới hạn về tổng vốn đầu tƣ cho thiết bị bù : n i biii VQkk 1 0 )( (1.37) -Giới hạn về thời gian thu hồi vốn :V-(C-C0). Tth 0 (1.38) Trong đó: C0 chi phí tổn thất hành năm khi chƣa tính bù. Trong bài toán đƣợc giải theo phƣơng pháp quy hoạch phi tuyến xấp xỉ hoặc phƣơng pháp tuyến tính hóa, sai số của phép xấp xỉ có thể khống chế đƣợc theo yêu cầu . *Ƣu điểm: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 28 -Do tính tổng quan của mô hình nên có thể áp dụng hiệu quả để xây dựng giải bài toán bù kinh tế tối ƣu đối với hệ thống phân phối điện. - Các rằng buộc khá toàn diện, có xét đến khả năng đầu tƣ và mức độ thu hồi vốn bắt buộc (đạt hiệu quả kinh tế cao). -Phƣơng pháp cho phép đầu tƣ hiệu quả: Vốn đầu tƣ thấp nhƣng có khả năng giảm tổn thất với tỷ lệ cao. * Nhƣợc điểm: - Khối lƣợng tính toán lớn. Sử dụng rằng buộc cân bằng công suất phản nút đối với lƣợng phân phối có nhiều phụ tải có tính chất hỗn hợp là khó thực hiện. - Chƣa thấy rõ hiệu quả cải thiện chất lƣợng điện (chƣa có phần kiểm tra lại điều kiện điện áp ở các nút phụ tải). -Rất khó xác định các hệ số kinh tế (vì chúng phụ thuộc nhiều vào các yếu tố kinh tế xã hội khác). -Khi giá thành lắp đặt thiết bị bù cao có thể tính đến việc tính dung lƣợng bù theo phƣơng pháp này không đạt hiệu quả tối ƣu. 1.5.7 Phƣơng pháp xét đến độ nhạy của chi tiêu ổn định điện áp, độ lệch điện áp và tổn thất công suất tác dụng đối với sự biến đổi công suất phản kháng nút: Các bƣớc tính: - Sắp xếp các nút theo thứ tự ƣ tiên theo ảnh hƣởng của sự biến đổi công suất phản kháng ở nút đó đến độ ổn định điện áp, độ lệch điện áp và tổn thất công suất tác dụng. - Lập ba véctơ giá cả thích hợp cho từng nút, cho từng sự biến đổi cho điện áp, công suất phảng kháng và dầu phân áp. - Lập hàm Lagrangevà giải nút này để tìm ra nút cần bù và công sất bù tối thiểu. Khi giải tích lƣới điện bằng phƣơng pháp Newton-Raphson ta có hệ phƣơng trình: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 29 U QQ U PP Q P U (1.39) Nếu coi P/ U=0, Q/ =0, ta có : [ Q]= P/ U=0. [ Q]=[JQ]. [ U] (1.40) Trong đó ma trận Jacobi J chỉ bao gồm các nút tải ; Ổn định điện áp đƣợc đánh giá theo tiêu chuẩn : Hiệu ứng điều chỉnh điện áp theo công suất phản kháng của các nút tải i : Q/ U. Tính Q/ U cho từng nút tải sau đó sắp xếp nút tải theo độ tăng của Q/ U . Nếu bù ở các nút có Q/ U thấp, vì khả năng ổn định điện áp ở các nút này thấp. Q/ U là thành phần nằm trên đƣờng chéo của ma trận Jacobi JQ. Chỉ tiêu độ lệch điện áp đƣợc sét theo ảnh hƣởng của biến đổi công suất phản kháng nút đến môđun điện áp nút và các nút lân cận. Khi có công suất phản kháng ở một nút nào đó biến đổi thì sẽ ảnh hƣởng đển môđun điện áp của tất cả các nút, ảnh hƣởng này thể hiện trên cột của ma trận Jacobi J, do đó phải lập ra tiêu chuẩn để đánh giá ảnh hƣởng này. Nên bù ở các nút mà sự biến đổi công suất phản kháng ở nút đó ảnh hƣởng nhiều đến mức điện áp của hệ thống, do đó nút đƣợc sắp xếp theo điều kiện này . Tổn thất công suất tác dụng phụ thuộc biến đổi Q nhƣ sau : [ P]= [ P/ Q][ Q] (1.41) P/ Q càng lớn thì ảnh hƣởng của Q đến tổn thất công suất tác dụng càng lớn, do đó càng nên bù, nút đƣợc sắp xếp theo điều kiện này. Sự sắp xếp trên thực hiện bằng cách gán cho mỗi nút ba hệ số trọng theo ba tiêu chuẩn trên. Sau đó ba hệ số này đƣợc tổ hợp lại để cho mỗi nút một hệ số ƣu tiên đặt bù duy nhất. Nếu có nút không thể đặt bù do một điều kiện nào đó thì hệ số ƣu tiên của nút đó bằng 0. Tiếp theo, lựa chọn số nút bù ít nhất và dung lƣợng bù nhỏ nhất. Nút bù đƣợc chọn theo thứ tự ƣu tiên đã lập, đầu tiên chọn n0 nút bù, dùng tính toán chế độ có xét Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 30 đến mọi khả năng điều chỉnh của các nguồn công suất phản kháng đã có và vừa thêm vào, cùng với điều áp dƣới tải để kiểm tra xem điện áp và các hạn chế khác có bị vƣợt khung hay không, nếu không thì dừng, nếu có thì tăng số nút bù lên n1=n0+1, rồi tính lại. Sau khi đã có đƣợc số nút bù thì dùng mô hình tuyến tính để tối ƣu hóa dung lƣợng bù ở các nút bù bằng cách giảm dần dung lƣợng bù đã lựa chọn ban đầu. Tính cho mọi chế độ rồi tổng hợp lại cho kết quả chung. Mô hình tuyến tính có dạng: F=CIT. UG+ QL+C3T. T min (1.42) Với các rằng buộc : Theo điều chỉnh điện áp nguồn điện : UG min UG UG max (1.43) -Theo điều chỉnh công suất phản kháng nút tải : QL min QL QL max (1.44) -Theo điều chỉnh điện áp dƣới tải : T min T T max (1.45) Ngoài ra còn hạn chế QG nút nguồn và UL nút tải, các hạn chế này phụ thuộc vào cấu trúc của lƣới. Nếu giả thiết P=0, ta có hệ phƣơng trình lƣới điện : T U U J J J J J J Q Q L G LT QT LL QL LG QG L G . (1.46) Biến đổi ta đƣợc : T U U J J J J J J Q Q L G LT QT LL QL LG QG L G . ' ' ' ' ' ' (1.47) Hệ phƣơng trình này cho phép tính đƣợc QG và UL . C1T, C2T,C3T là các véc tơ giá cả, T trong ma trận là ký hiệu chuyển vị. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 31 *Ƣu điểm : -Việc xác định thứ tự ƣu tiên các nút đặt bù khá toàn diện, chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật đồng thời đƣợc quan tâm. *Nhƣợc điểm : -Đối với một mạng lƣới điện gồm nhiều nút, nhánh việc xét thứ tụ đặt bù ở các nút theo các chỉ tiêu trên là phức tạp. -Mô hình phù hợp với hệ thống phụ tải lớn, biến thiên công suất liên tục. 1.5.8 Mô hình quy hoạch hỗn hợp : Mô hình quy hoạch hỗn hợp gồm quy hoạch phi tuyến và quy hoạch tuyến tính nguyên. Mô hình của bài toán nhƣ sau: Cực tiểu hóa hàm n i biiii n i i QkykVVZ 1 0 1 )..( Bƣớc 1: Cho bù tại mọi nút tải, giải mô hình phi tuyến tìm đƣợc công suất bù ở mọi nút. Bƣớc 2: Tuyến tính hóa hệ phƣơng trình tại giá trị bù đã tính ở bƣớc 1, giải mô hình tuyến tính nguyên để giảm bớt đến nhỏ nhất số nút bù. Trong bƣớc này cũng phải tính đến hệ số nhạy cảm của chỉ tiêu ổn định điện áp, độ lệch điện áp và tổn thất công suất tác dụng đối với sự biến đổi công suất phản kháng nút nhƣ ở mô hình trên. Do mô hình chỉ quan tâm đến ttổng vốn đầu tƣ nên khi giá tụ bù cao sẽ ảnh hƣởng lớn đến dung lƣợng bù, dẫn đến hiệu quả bù không cao. - Trong điều kiện thực tế hiện nay, khi ngƣời đầu tƣ quan tâm đên lợi ích kinh tế thì mô hình trở nên không còn phù hợp. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 32 1.6. TÌM HIỂU COS VÀ BÙ COS TẠI MỘT SỐ NHÀ MÁY XÍ NGHIỆP: 1.6.1 Các phụ tải đã tiến hành điều tra : Để tiến hành phân tích và đánh giá đặc điểm tiêu thụ công suất phản kháng và tỷ lệ tổn thất điện năng ở mạng điện phụ tải hỗn hợp cần tiến hành điều tra khảo sát thu thập các số liệu tập trung vào các phụ tải công nghiệp, Cụ thể nhƣ sau: Tại Thái Nguyên: 1. Công ty ván dăm Thái nguyên 2. Công ty gạch ốp lát Việt ý 3. Công ty điện phân kẽm sông Công 4. Công ty cổ phần thép Thái nguyên trạm số II (Sông Công) 5. Công ty cổ phần thép Thái nguyên trạm số I (Sông Công) 6. Công ty Diesel sông Công ( Lộ 675) 7. Công ty Diesel sông Công ( Lộ 673) 8. Công ty phụ tùng maý số 1 sông Công 9. Công ty xi măng Lƣu xá 10. Công ty thép Hiên Sơn Quá trình khảo sát đƣợc tiến hành đo trực tiếp hay từ công tơ điện tử. Số liệu thu thập đƣợc là điện năng hữu công và điện năng vô công trong từng tháng hay của cả một khoảng thời gian. Từ đó tính toán giá trị hệ số công suất Cos theo công thức sau: 22 QP P AA A Cos (1.48) Trong đó : AP- Điện năng hữu công; AQ-Điện năn vô công. Tại một số địa phƣơng số liệu thu đƣợc lại là công suất tác dụng, điện áp và dòng. Khi đó giá trị hệ số công suất Cos theo công thức sau: IU P S P Cos * (1.49) Tại một số điểm qua công tơ điện tử đã ghi đƣợc chỉ số công suất tác dụng và công suất phản kháng theo giờ ( chính là điện năng tiêu thụ trong từng giờ). 1.6.2.Một số nhận xét từ kết quả thƣc tế: 1.6.2.1. Đối với phụ tải công nghiệp - Các phụ tải công nghiệp nói chung có giá trị Cos thấp và đều đƣợc lắp đặt tụ bù để không bị phạt Cos thấp. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 33 * Công ty xi măng Lƣu xá, Thái nguyên có đồ thị phụ tải ngày nhƣ trên bảng 2, hình 1.7. Công ty này đặt bù 600 kVar, trong đó có 420 kVar tập trung ở trạm biến áp, còn lại đặt rải rác ở các phân xƣởng-cố định dung lƣợng, không có điều chỉnh dung lƣợng bù ( chỉ có đóng hay cắt toàn bộ) Bảng 2. Đồ thị phụ tải nhà máy xi măng Lƣu xá Thái nguyên Giờ P; kW Q phụ tải kVar Q bù; kVar Q sau khi bù; kVar Cos Truoc bu Cos Sau bu 1-2 1484 1042.00 600 442 0.82 0.96 2-3 1344 1086.00 600 486 0.78 0.94 3-4 1319 961.00 600 361 0.81 0.96 4-5 1187 1018.00 600 418 0.76 0.94 5-6 1338 1078.00 600 478 0.78 0.94 6-7 1260 958.00 600 358 0.80 0.96 7-8 1230 1040.00 600 440 0.76 0.94 8-9 1147 1014.00 600 414 0.75 0.94 9-10 1361 1055.00 600 455 0.79 0.95 10-11 1387 1080.00 600 480 0.79 0.95 11-12 1337 1081.00 600 481 0.78 0.94 12-13 1346 1010.00 600 410 0.80 0.96 13-14 1134 1079.00 600 479 0.72 0.92 14-15 1294 1007.00 600 407 0.79 0.95 15-16 1321 1054.00 600 454 0.78 0.95 16-17 1325 1078.00 600 478 0.78 0.94 17-18 1186 1075.00 600 475 0.74 0.93 18-19 1320 1248.00 600 648 0.73 0.90 19-20 1135 1040.00 600 440 0.74 0.93 20-21 1092 907.00 600 307 0.77 0.96 21-22 1104 920.00 600 320 0.77 0.96 22-23 1106 881.00 600 281 0.78 0.97 23-24 1313 1079.00 600 479 0.77 0.94 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 34 Hình 1.7 Đồ thị Cos Công ty xi măng Lƣu xá Thái nguyên - Đƣờng bên dƣới : trƣớc khi bù - Đƣờng bên trên : Sau khi bù COS TRUOC VA SAU BU 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 GIO Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 35 * Một số phụ tải khác trong khu công nghiệp Thái nguyên, kết quả tính toán ghi trên bảng 3. Bảng 3. Giá trị Cos các phụ tải khu công nghiệp Thái nguyên ( tính từ tháng 1 đến hết tháng 11 năm 2007) TT Phụ tải Điện năng hiệu dụng; AP;kWh Điện năng vô công; AQ;kVarh Cos 1 CT Ván dăm TN 32 922 936 15 342 061 0,906 2 CT Gạch ốp lát Việt ý 7 912 541 3 565 217 0,912 3 CT Điện phân kẽm sông Công 32 182 884 14 743 344 0,909 4 CTCP Thép TN Tram I 3 178 244 1 277 213 0,928 5 CTCP Thép TN Tram II 3 077 142 1 296 620 0,922 6 CT Diesel sông Công 6 622 560 2 801 242 0,921 7 CT Phụ tùng máy số 1 7 040 412 2 112 536 0,958 8 CT Thép Hiên Sơn 5 613 1527 0,978 - Các tụ bù tĩnh có dung lƣợng cố định, rất ít đóng cắt mặc dù tiêu thụ công suất phản kháng có thay đổi. Do vậy khi phụ tải có nhu cầu công suất phản kháng nhỏ, công suất phản kháng từ tụ bù sẽ chạy ngƣợc về hệ thống, gây tổn thất trong lƣới. Nhƣ vậy tụ bù phản tác dụng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 36 Lấy ví dụ : Công ty thép Hiên Sơn, trạm biến áp số 1 tại Thái nguyên. Đồ thị phụ tải ngày ghi trên bảng 4, hình 1.8 Bảng 4. Đồ thị phụ tải ngày CT thép Hiên Sơn Giờ P;kW Q phụ tải Cos 1-2 452.63 125.45 0.96 2-3 450.00 121.00 0.97 3-4 445.00 126.00 0.96 4-5 447.00 127.00 0.96 5-6 445.00 129.00 0.96 6-7 447.00 119.00 0.97 7-8 460.00 125.00 0.97 8-9 5.50 0.30 1.00 9-10 5.00 0.50 1.00 10-11 4.60 0.40 1.00 11-12 4.60 0.40 1.00 12-13 4.70 0.13 1.00 13-14 4.70 0.40 1.00 14-15 5.50 0.30 1.00 15-16 5.50 0.50 1.00 16-17 5.70 0.60 1.00 17-18 5.70 0.50 1.00 18-19 7.00 0.40 1.00 19-20 550.00 145.00 0.97 20-21 500.00 121.00 0.97 21-22 450.00 126.00 0.96 22-23 457.00 128.00 0.96 23-24 451.00 130.00 0.96 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 37 Hình 1.8. Đồ hị phụ tải ngày Công ty thép Hiên sơn TBA số 1 Từ bảng 4, hình 1.8 thấy rằng Công ty thép Hiên Sơn không bị phạt do Cos thấp. Nhƣng thực tế tụ bù chỉ có công dụng từ 20 giờ đêm đến 8 giờ sáng ngày hôm sau, còn từ 8 giờ sáng đến 20 giờ tối công suất phản kháng từ tụ bù lại ngƣợc về lƣới, gây ra tổn thất trên lƣới. Nhƣ vậy vấn đề phạt do thải công suất phản khảng từ tụ bù dứt khoát phải đƣợc đề cập đến. - Các công ty có hệ số Cos không quá thấp ( từ 0,75 đến 0,85) nói chung không có đặt tụ bù vì số tiền phạt do Cos thấp không nhiều hoặc so với tổng tiền điện là không đáng kể. 1.6.2.2. Các cơ quan hành chính sự nghiệp: Các cơ quan hành chính sự nghiệp nhƣ các trƣờng Đại học, các cơ quan hành chính,.... không trong diện bị phạt Cos . Thực tế trong các cơ quan này ngày dùng càng nhiều các thiết bị điện có hệ số công suất Cos thấp nhƣ đèn Neon (Cos =0,44), các máy điều hoà và các thiết bị có cơ cấu động cơ (Cos chỉ vào khoảng 0,65 đến 0,7),.....Do vậy tại các trạm điện này không có công tơ vô công. Hơn nữa tại đây ngƣời ta ít khi nói về tiêu thụ công suất phản kháng và hệ số Cos . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 38 1.6.3 Tóm tắt và kiến nghị : * Các phụ tải công nghiệp nhƣ công ty thép, công ty đệt, công ty xi măng, công ty điesel, bản thân phần lớn các thiết bị dùng điện có giá trị Cos không cao ( khoảng từ 0,65 đến 0,75), nhƣng đều đã đƣợc lắp đặt các bộ tù bù cố định để không bị phạt Cos . Nhƣng vấn đề ở đây là dung lƣợng bù đăt khá cao ( Cos trên 0,95) mà các tụ bù lại là cố định không thể điều chỉnh dung lƣợng công suất bù phản kháng. Điều đó dẫn đến khi phụ tải tiêu thụ công suất phản kháng ít vào những giờ thấp điểm, dung lƣợng công suất phản kháng bù dùng không hết lại chạy ngƣợc về lƣới, gây tổn thất trên lƣới; Khi đó bài toán bù lại bị phản tác dụng gây ảnh hƣởng xấu. Chính vì vậy khi lựa chọn dung lƣợng công suất phản kháng bù cần phải tính toán thận trọng và tốt nhất là sử dụng các tụ bù có thể điều chỉnh đƣợc dung lƣợng bù theo thời điểm là tuỳ thuộc nhu cầu tiêu thụ công suất phản kháng của phụ tải. Mặt khác nếu tụ bù không thể tự điều chỉnh dung lƣợng bù thì phải chịu phạt Cos tại những thời điểm công suất phản kháng bù phát ngƣợc về lƣới. * Các công ty có hệ số Cos không quá thấp ( từ 0,75 đến 0,85) nói chung không có đặt tụ bù vì số tiền phạt do Cos thấp không nhiều hoặc so với tổng tiền điện là không đáng kể. Vấn đề ở đây là cần xem xét lại quy định giá trị Cos tối thiểu và kinh doanh (thị trƣờng) công suất phản kháng. * Đối với các phụ tải tổng hợp cấp điện từ các lộ tại điện lực tỉnh bao gồm các cụm công nghiệp nhỏ, còn lại là phụ tải thắp sáng, sinh hoạt gia đình; trong đó các cụm công nghiệp đều có lắp đặt tụ bù để tránh phạt Cos nên giá trị Cos của toàn lộ là không thấp ( đều trên 0,85). Do vậy bài toán về bù công suất phản kháng nâng cao Cos đối với các lộ này không thành vấn đề lớn. Vấn đề còn lại là nên đặt tụ bù phía hạ thế 0,4kV có tự động điều chỉnh dung lƣợng bù cho cụm phụ tải hay cụm dân cƣ, trạm bơm là đủ. Điều này không có gì khó khăn vì tụ bù hạ thế 0,4 kV có tự động điều chỉnh dung lƣợng bù rất sẵn trên thị trƣờng mà giá thành rẻ. * Đặc biệt lƣu tâm đến vấn đề Cos tại các phụ tải là cơ quan hành chính sự nghiệp : trƣờng học, bệnh viện, cơ quan hành chính, công sở,… Đối với phụ tải loại này theo quy định của ngành Điện là không bị phạt Cos . Trong khi đó giá trị Cos của các phụ tải loại này là rất thấp. Do vậy vấn đề Cos đối với các phụ tải này là có vấn đề cần phải có chính sách cụ thể vì lợi ích chung của hệ thống điện toàn quốc. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 39 CHƢƠNG II: CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG, CÓ XÉT ĐẾN CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ PHÂN TÍCH TÀI CHÍNH. 2.1. PHƢƠNG PHÁP LUẬN VÀ SƠ ĐỒ KHỐI THUẬT TOÁN 2.1.1 Mô hình tổng quát bài toán bù công suất phản kháng trong lƣới phân phối: Xét lƣới điện phân phối gồm n+1 nút đánh số 0,1,2,…,n. Các nút đều có phụ tải Pi+jQi và có thể đặt bù công suất phản kháng QBi. Các nguồn phát ra công suất phản kháng đặt tại các nút phụ tải là các tụ điện tĩnh không điều khiển và có thang công suất rời rạc. Giả sử tại các nút của lƣới điện có đặt tụ điện tĩnh để bù công suất phản kháng, công suất đặt bù ở các nút là QBi; i=1..N. Khi ấy tổn thất công suất trên toàn lƣới sẽ là: i n i Jj Bjii R U QQP P i 1 23 2 2 10 (2.1) Ji: theo chiều công suất tác dụng, tập những nút j nằm sau nút i đang xét. Biểu thức trên chứng tỏ rằng sau khi đặt tụ điện tĩnh để bù công suất phản kháng tại các nút phụ tải thì tổn thất công suất trên lƣới điện giảm, chi phí cho tổn thất công suất giảm. Nhƣng thay vào đó cần đầu tƣ cho xây dựng trạm bù, giá tiền mua tụ điện tĩnh, chi phí cho tổn thất công suất trên tụ điện tĩnh. Vấn đề đặt ra là cần so sánh giữa hai chi phí: trƣớc khi bù và sau khi bù để tìm ra một phƣơng án tối ƣu với tổng chi phí là ít nhất mà vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật. Để tìm đƣợc lời giải tối ƣu thì trƣớc hết phải xây dựng đƣợc hàm mục tiêu của bài toán. Hàm mục tiêu ở đây là hàm tổng chi phí tính toán, sẽ đƣợc trình bày trong Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 40 phần sau. Giải bài toán bù kinh tế công suất phản kháng tức là đi tìm lời giải để hàm tổng chi phí tính toán là cực tiểu với các ràng buộc về mặt kỹ thuật. Sau đây sẽ thành lập mô hình bài toán bù công suất phản kháng trong lƣới điện phân phối gồm hàm mục tiêu và các ràng buộc. 2.1.2. Hàm mục tiêu Hàm mục tiêu là hàm tổng chi phí tính toán bao gồm chi phí do tổn thất điện năng trên đƣờng dây, chi phí do tổn thất trong tụ bù và chi phí lắp đăt thiết bị bù. Cụ thể: MinZZZZ 321 (2.2) Trong đó : Z – Tổng chi phí tính toán quy về một năm(đồng); Z1– Vốn đầu tƣ quy đổi một năm cho thiết bị bù; Z2– Chi phí tổn thất điện năng trong thiết bị bù; Z3– Chi phí tổn thất điện năng trong đƣờng dây. - Vốn đầu tư quy đổi một năm của thiết bị bù: N i iBiBtcvh QKKZ 1 01 .. (2.3) Trong đó: KBi - vốn đầu tƣ cho một đơn vị công suất thiết bị bù tại nút i, (đồng/kVAr) K0 – Chi phí cố định lắp đặt thiết bị bù (đồng) QBi- dung lƣợng thiết bị bù tại nút i, kVAr; vh- hệ số chi phí vận hành hàng năm; tc - hệ số khấu hao; - Chi phí tổn thất điện năng trong thiết bị bù: Bi N i B QPZ 1 02 ... (2.4) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 41 Trong đó: p0 – tổn hao công suất tác dụng cho một đơn vị dung lƣợng bù,kW/kVAr; B - thời gian tổn thất công suất cực đại của thiết bị bù, giờ/năm; (có thể lấy bằng thời gian làm việc của thiết bị bù) - giá thành điện năng, đ/kWh. - Chi phí tổn thất điện năng trên đường dây: N i nhii QR U Z 1 2 233 .. .10.3 . (2.5) Trong đó: - thời gian tổn thất công suất cực đại của lƣới, giờ/năm; ( cần lƣu ý là B ) Ri - điện trở của dây dẫn nhánh i, ; U - điện áp định mức của lƣới, kV; Qnhi- công suất phản kháng tải trên nhánh i khi có bù công suất phản kháng tại các nút. Công suất phản kháng tại các nhánh khi xét đến cả các công suất bù tại các nút đƣợc tính tƣơng tự nhƣ tính dòng các nhánh, cụ thể là : B nh QQAQ . (2.6) Trong đó : Qnh - ma trận cột công suất phản kháng truyền trên nhánh; A = Z . C - ma trận hệ số, ma trận vuông NxN; Q - QB - ma trận cột hiệu công suất phản kháng phụ tải và công suất bù. Hay viết dƣới dạng đại số: N j Bjjijnhi QQAQ 1 . (2.7) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 42 Trong đó: Qj nh - công suất phản kháng truyền tải trên nhánh j; Aij - phần tử của ma trận A (Nếu nút i không nối với nút j thì Aij = 0); Qj - công suất phản kháng phụ tải tại nút j; QBi - công suất bù tại nút i. Ghi chú: trong Z3 nếu tính đầy đủ phải có thành phần tổn thất công suất do công suất tác dụng P gây ra, nhƣng bài toán xét Min hàm chi phí tính toấn bổ phần tổn thất này đi vẫn không ảnh hƣởng gì vì chúng là hằng số không phụ thuộc vào QB. Từ (2.3), (2.4) và (2.5) ta thấy các trị số Z1, Z2, Z3 đều phụ thuộc vào trị số QBi. Nhƣ vậy yêu cầu của bài toán là xác định các giá trị công suất phản kháng thiết bị bù (QBi) đặt tại các nút của lƣới điện sao cho tổng chi phí tính toán Z là nhỏ nhất. 2.1.3 Các ràng buộc - Tổng công suất bù tại các nút không vƣợt quá giá trị bù tổng toàn lƣới: B N i Bi QQ 1 (2.8) - Công suất bù tại một nút không vƣợt khỏi phạm vi cho phép: NiQQQ MaxBiBi Min Bi 1; (2.9) - Bù để sao cho hệ số công suất Cos tại các nút phía cao áp nằm trong phạm vi cho phép: niCosCosCos MaxiMin 1; (2.10) Trong đó : 22 Biii i i QQP P Cos (2.11) Sau đây xét một số phƣơng pháp giải bài toán bù hiện có. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 43 2.1.4 Mô hình bài toán bù công suất phản kháng khi có xét đến máy biến áp: Trong phần trên đã đề cập đến mô hình bài toán bù đối với lƣới phân phối hình tia, một cấp điện áp và chƣa xét đến máy biến áp. Tuy nhiên, tổn thất trong máy biến áp cũng rất đáng kể. Do đó, nếu bỏ qua máy biến áp thì lời giải bài toán sẽ thiếu chính xác. Sau đây sẽ trình bày mô hình bài toán bù khi có xét đến máy biến áp. Xét lƣới điện phân phối gồm n+1 nút đánh số 0,1,2,…,N và M nút có máy biến áp đánh số N+1,N+2,…,N = N+M. Các nút đều có phụ tải P i+jQi và có thể đặt bù công suất phản kháng QBi. Nút MBA tổng quát có cả phụ tải phía cao (gộp cả tổn thất không tải), phụ tải phía hạ và ở cả hai cấp điện áp đều có thể đặt bù công suất phản kháng. Nói tóm lại, tại nút có máy MBA sẽ đƣợc xem là hai nút phụ tải (đặc trƣng cho phụ tải phía cao và hạ của MBA), mà nhánh nối giữa hai nút có tổng trở bằng (RMBA + jXMBA). Trong đó RMBA và XMBA theo thứ tự là điện trở và điện kháng của máy biến áp. 2.1.5 Một số giả thiết khi tính toán tối ƣu công suất bù: Mô hình bài toán bù tối ƣu công suất phản kháng bằng tụ điện trên lƣới phân phối là một bài toán phức tạp có nhiều yếu tố tác động vì vậy để đơn giản hóa bài toán cần một số giả thiết nhƣ sau: -Giá trị điện áp lƣới đƣợc coi là không đổi. QBC PC+jQC QBH PH+jQH QBC PC+jQC QBH PH+jQH RMBA +jXMBA MBA Hình 2.1- Mô hình nút có máy biến áp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 44 -Tính chất của tải coi là nhƣ nhau tại các nút (giá trị = const). -Giá trị của thiết bị bù đƣợc coi nhƣ là tỷ lệ thuận với công suất của chúng và không xét đến các ảnh hƣởng khi có sự thay đổi về giá (không phụ thuộc vào các yếu tố kinh tế xã hội). -Giá trị cos là giá trị trung bình không đổi. -Với lƣới phân phối có nhiều trục chính, việc thay đổi công suất phản kháng tại một nút bất kỳ trên trục chính ảnh hƣởng không đáng kể đến việc thay đổi công suất phản kháng tại các nút khác trên trục chính. 2.2 Phƣơng pháp giải bài toán bù công suất phản kháng 2.2.1 Tổng quan Hiện nay đã có rất nhiều cách giải khác nhau để giải bài toán bù tối ƣu công suất phản kháng trong lƣới điện. - Phƣơng pháp tƣơng đƣơng liên tiếp, cho phép giải bài toán bù công suất phản kháng trong lƣới điện rất đơn giản và thuận tiện mà không cần phải lập hệ phƣơng trình; - Phƣơng pháp ma trận, ở đây đƣa vào ma trận điện trở nút để tính toán điện năng trong lƣới điện. Phƣơng pháp này tính toán bù công suất phản kháng trên cơ sở các biểu thức ma trận tƣờng minh đã làm giảm khá nhiều khối lƣợng tính toán. Phát triển của phƣơng pháp này ngƣời ta xây dựng ma trận Tôpô, thiết lập các công thức tính định thức và phần phụ đại số của ma trận điện trở nút của lƣới điện. Sử dụng các phƣơng pháp phân tích Tôpô để xây dựng công thức tính ma trận điện trở nút. Bằng phƣơng pháp đại số ma trận để xây dựng các thuật toán giải bài toán bù; - Phƣơng pháp giải bài toán bù tối ƣu công suất phản kháng trong lƣới điện kín dựa trên phƣơng pháp quy hoạch toán học, chuyển bài toán phân bố tối ƣu công suất phản kháng về bài toán quy hoạch toàn phƣơng. Thuật toán này cũng chỉ tiến hành trong điều kiện thang công suất TĐT liên tục; - Phƣơng pháp quy hoạch động giải bài toán bù có tính đến tính rời rạc của thang công suất TĐT. Trên cơ sở tiến hành quá trình thuận và ngƣợc của phƣơng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 45 pháp quy hoạch động. Trong quá trình thuận tiến hành hợp nhất các nhánh để tìm quan hệ Z n (QB n) và QBn (QB n). Trong đó Z n, QBn, QB n tƣơng ứng là tổng chi phí tính toán ở bƣớc hợp nhất thứ n, công suất TĐT đặt ở đầu cuối thứ n, tổng công suất TĐT đặt ở đầu cuối các nhánh trong bƣớc hợp nhất thứ n. Từ quan hệ QBn(QB n) tìm đƣợc trong quá trình thuận tiến hành quá trình ngƣợc của thuật toán để tìm các giá trị công suất TĐT đặt tại các nút của lƣới điện tƣơng ứng với cực tiểu hàm tổng chi phí tính toán; - Ngoài ra còn rất nhiều phƣơng pháp khác nhƣ phƣơng pháp tổ hợp các quá trình gián đoạn, phƣơng pháp diện tích, phƣơng pháp lặp, phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng điện áp,… Cũng đề cập đến cách giải bài toán bù tối ƣu công suất phản kháng trong những ràng buộc và hàm mục tiêu khác nhau. Nhƣ vậy, hiện nay đã có rất nhiều phƣơng pháp khác nhau nghiên cứu về bài toán bù công suất phản kháng. Điều đó cho thấy bù công suất phản kháng là một vấn đề cấp thiết và vận hành lƣới điện. Những kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực này rất phong phú và ._.