Nghiên cứu bù công suất phản kháng trên đường dây phân phối 22 kv có phụ tải phân bố đều

Nội dung text: Nghiên cứu bù công suất phản kháng trên đường dây phân phối 22 kv có phụ tải phân bố đều

1. NGHIÊN CỨU BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRÊN ĐƢỜNG DÂY PHÂN PHỐI 22 KV CÓ PHỤ TẢI PHÂN BỐ ĐỀU LÊ VĂN HƢNG Trường Đại Học SPKT Thành Phố Hồ Chí Minh TÓM TẮT Cùng với sự phát triển nhanh chóng nền kinh tế của đất nước và khoa học kỹ thuật, thì ngành điện có ảnh hưởng rất lớn đến nền kinh tế, an ninh chính trị xã hội của mỗi Quốc gia, Nguồn điện cũng phải được đáp ứng những đòi hỏi về công suất và chất lượng điện. Vấn đề công suất phát ra phải được đưa đến nơi sử dụng và tận dụng một cách hiệu quả nhất, không để lãng phí quá nhiều ảnh hưởng đến kinh tế đó là một bài toán được rất nhiều đề tài nghiên cứu, tổn hao công suất trong truyền tải điện năng là một vấn đề ảnh hưởng đến chất lượng điện năng và kinh tế; trong khi đó nhu cầu tiêu thụ điện ngày càng cao, đòi hỏi đáp ứng đủ và kịp thời không chỉ về số lượng mà cả về chất lượng, người ta đưa ra phương pháp bù công suất phản kháng, điều chỉnh điện áp hoặc tái cấu trúc lại lưới Bài báo này trình bày một phương pháp để nâng cao hệ số công suất (HSCS) nhằm giảm tổn thất điện năng trên lưới điện, đó là Nghiên cứu bù công suất phản kháng trên đường dây phân phối 22 KV có phụ tải phân bố đều . ABSTRACT Along with the rapid development of the national economy and science and technology, the power sector has a huge impact on the economy, political and social security of each State, Power must be met demands on capacity and power quality. The problem generating capacity must be brought to the place of use and utilize the most efficient way, not to waste too much economic influence is a problem that a lot of research, capacity loss the transmit power is a problem affecting the quality and economic power; while the demand for electricity increasing, requires timely and adequate response not only in quantity but also in quality, we offer methods of reactive power compensation, voltage regulation or restructuring the mesh structure this paper presents a method to improve the power factor (HSCs) to reduce power losses in the grid, which is study of reactive power compensation on line 22 KV distribution with women evenly distributed load. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong thực tế phụ tải của hệ thống điện (HTĐ) giờ cao điểm và thấp điểm lệch nhau rất lớn, các nhà máy rất hạn chế phát công suất phản kháng (CSPK), nếu có hệ thống bù công suất phản kháng thì chỉ là bù tĩnh, thiết bị bù không có cơ cấu tự điều chỉnh mang lại hệ số công suất cosφ lớn lên cỡ 0,9 điều này cũng dẫn đến những ảnh hưởng rất lớn vào những giờ thấp điểm có hiện tượng dòng công suất phản kháng chạy ngược, làm tăng tổn thất và gây quá áp điều này gây hậu quả nghiêm trọng đến các thiết bị điện, vị trí lắp đặt tụ thường lắp đặt ở những nơi dễ vận hành, không tính đến hiệu quả kinh tế của thiết bị, vì vậy chưa tận dụng được hiệu quả làm việc của thiết bị và gây lãng phí trong quá trình đầu tư. Vì vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp nhằm nâng cao HSCS nhằm giảm tổn thất trong hệ thống điện của nước ta. 1. Sự tiêu thụ CSPK trong lƣới điện. Cấu tạo một mạch điện đơn giản có tải là điện trở và điện kháng theo như hình sau: Trang: 1
2. R X I U Hình 1 Công suất phản kháng là thành phần tiêu thụ trên điện cảm hay phát ra trên tụ điện dung của mạch điện. Sự tiêu thụ CSPK. Trên lưới điện CSPK được tiêu thụ ở động cơ không đồng bộ, máy biến áp, kháng điện trên đường dây tải điện và ở các phần tử, thiết bị liên quan đến từ trường. Yêu cầu vế công suất phản kháng chỉ có thể giảm đến một mức tối thiểu chứ không thể triệt tiêu hoàn toàn bởi vì nó cần thiết cho việc sử dụng từ trường quay, yếu tố trung gian cần thiết cho quá trình chuyển hóa điện năng. - Động cơ không đồng bộ tiêu thụ công suất phản kháng chiếm đến 60 – 65%. - Máy biến áp tiêu thụ khoảng 22 đến 25 % nhu cầu CSPK tổng của lưới điện, nhỏ hơn nhu cầu của các động cơ không đồng bộ do CSPK dùng để từ hóa lõi thép MBA không lớn hơn so với động cơ không đồng bộ, vì không có khe hở không khí, nhưng do số lượng lớn nên nhu cầu tổng công suất phản kháng của MBA cũng rất lớn. 2. Các nguồn phát CSPK trong lƣới điện. Khả năng phát CSPK của các nhà máy điện là rất hạn chế do cosφ của nhà máy là 0,8 đến 0,9 hoặc cao hơn nữa, hầu hết trong khi chế tao các máy phát không phát nhiều CSPK cho phụ tải. các máy phát chỉ đảm đương một phần công suất phản kháng của phụ tải. phần còn lại do các thiết bị bù như máy bù đồng bộ và tụ bù. Giải bài toán bù CSPK là xác định số lượng trạm bù , vị trí bù , công suất đặt trên từng vị trí và chế độ làm việc của tụ sao cho làm việc hiệu quả, mang lại hiệu quả kinh tế. Bù tập trung trên một số vị trí trên lưới trung áp. Bù phân tán ở các trạm phân phối hạ áp. Để giải bài toán bù cần biết rõ cấu trúc lưới phân phối đồ thị phụ tải phản kháng của các trạm phân phối, phải biết giá cả của thiết bị đồng thời phải đảm bảo các đặc tính kỹ thuật kinh tế của tụ bù. Phải tính được độ tăng trưởng hàng năm. Hai phương pháp này có khác nhau nhưng các mô hình này đều có một hàm mục tiêu chung là chi phí cho bù nhỏ nhất trên cơ sở đảm bảo các điều kiện kỹ thuật của lưới điện, điện áp trên mọi nút của hệ thống phải nằm trong phạm vi cho phép và làm sao cho tổn thất công suất là thấp nhất. II. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Tính toán bù công suất phản kháng bằng phƣơng pháp ma trận ZBUS Tổn thất công suất trong hệ thống tính theo ma trận Zbus : n n * P+j Q = Ii Zij I j i 2 j 2 Với nút 1 là nút cân bằng và Ii, Ij lần lượt là dòng điện ở nút i và j ( trong đơn vị tương đối ) Mạch tương đương hình cào dùng để tính tổn thất được vẽ trong Hình 1 . Trang: 2
3. Hình 2.1 Để biểu diễn dòng điện nút theo công suất nút trước hết cần phân tích phương trình thành phần thực và phần ảo như vậy: n n P (IiRE Rij I jRE IiIM Rij I jIM ) i 2 j 2 Từ đó có thể tách riêng thành phần tổn thất công suất tác dụng do công suất phản kháng gây ra với Ui Uj Uđm n n R P ij Q Q doQ  2 i j i 2 j 2 Udm 2 Các bƣớc tính toán bù kinh tế : Trong tính toán bù kinh tế có 6 bước để tính bù kinh tế. Bước 1 : Thành lặp ma trận Zbùs với thanh cái cân bằng làm chuẩn có được Zbùs = Rbùs + j Xbùs Bước 2 : Viết biểu thức tổn thất công suất tác dụng 1 n n P (Q Q )R (Q Q )  2  i bu,i ij j bu, j Udm i 2 j 2 Bước 3 : Viết biểu thức đạo hàm riêng :  P 2 n 2 n  R Q R Q 0 2  ij j 2  ij bu, j Qbu,i U j 2 U j 2 Bước 4 : Đạo hàm riêng biểu thức Z = Z1 + Z2 + Z3 theo các biến Qbù,i có được hệ phương trình bậc nhất n ẩn số Qbù : Bước 5 : Giải hệ phương trình trên để xác định Qbù,2, Qbù,3, . , Qbù,n . Có thể giải bằng cách nghịch đảo ma trận hay bằng các lệnh của MATLAB . Bước 6 : Trường hợp có nghiệm âm tại nút nào thì có nghĩa phụ tải tại nút đó không cần đặt bù. 3. Tính toán tổn thất công suất trên một đoạn của phát tuyến phân phối. Xét phụ tải phản kháng của đoạn ab của một phát tuyến có phụ tải tập trung và phân bố trong Hình 3.1. Hình 3.1 Trang: 3
4. Tất cả các dòng điện trên là thành phần phản kháng của dòng điện hiệu dụng . Dòng điện i tại vị trí x : i = i1 – ( i1 – i2)x Tổn thất công suất lúc phụ tải cực đại do thành phần dòng điện phản kháng tạo ra : 2 2 Pmax = (I1 + I1I2 + I2 ).R 4. Tổn thất công suất trên dƣờng dây có đặt tụ bù. Tổn thất công suất trên đọan ab: 2 Giảm P = P- P’ = 3x[(2-x).i1.IC + x.i2.IC - IC ].R 5. Giảm tổn thất điện năng khi đặt tụ bù. . Giảm tổn tổn thất điện năng trong thời gian T ( chẵng hạn 1 năm ) cho bởi tích phân : T T T 2 2 Giảm A = 3x (2 x)IC i1dt xI C i2dt IC dt .R Giảm A = 3RI1 cx [(2-x)k’pt 0 0 0 + xk’pt – c ].T Tóm lại, xét một đoạn đường dây phân phối Hình 3.2: Giả thiết phụ tải Qpb và Qtt có cùng hệ số phụ tải k’pt . - Vị trí đặt tụ tối ưu: 2 xopt = đvtđ 3(1 ) - Công suất tụ bù: 2 ' 2 QC = k (Q Q ) Q 3 pt tt pb 3 trung binh Giảm tổn thất điện năng trên đoạn: 2 Giảm A = 3RI1 cxopt [(2-xopt)k’pt + xoptk’pt – c ].T 6. Giảm tổn thất điện năng có xét chi phí đặt tụ bù. Xét một đoạn đường dây có đặt một vị trí tụ bù. Tổng tiền tiết kiệm được sau khi đặt tụ bù (chẳng hạn trong một năm): $ = tiết kiệm do giảm tổn thất điện năng trong một năm. + Tiết kiệm chi phí vận hành trong một năm của nguồn phát để bù vào tổn thất công suất tính theo phầm trăm tiền đẩu tư nguồn phát. - Chi phí vận hành hàng năm của tụ bù tụ bù tính theo phần trăm tiền đầu tư của tụ bù. Trang: 4
5. Xác định vị trí đặt tụ : 1 c[TK1 K 2 ] x = ' 1  2(1 )[TK1k pt K 2 ] Tương tự công suất tối ưu của tụ bù được tính theo phương trình bậc hai theo c : c2 –2Gc + H = 0 Giải phương trình bậc hai có 2 nghiệm : ' ' c1 = G - và c2 = G + Chọn nghiệm c thỏa điều kiện 0 1 có thể chọn c=1 và tính kiểm lại cos đầu đoạn đường dây không vượt quá 0,95 . III. KẾT QUẢ: Ứng dụng phần mềm Matlab để giải quyết các bài toán. 1. Xác định dung lƣợng bù của 01 đƣờng dây có 19 nút , 18 nhánh. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Đường dây có 19 nút, 18 nhánh Các đoạn đường dây và máy biến áp có tổng trở bằng nhau và phụ tải các nút bằng nhau. Tổng trở mỗi đoạn đường dây trên cơ bản 100 MVA, 22 kV: Rnhánh = 0.25367310 pu , Xnhánh = 0.14151695 pu Tổng trở nhánh mba phân phối 22/0.4 kV trên cơ bản 100 MVA,22 kV: Rmba = 3.59375000 pu , Xmba = 9.33193254 pu Phụ tải : Ptải = 350.0000 kW, Qtải = 250.0000 kVAr Qua quá trình tính toán xác định đƣợc tổng tổn thất công suất kháng deltaQL - deltaQC: 0.275 MVAr 2. Khảo sát bù kinh tế phía hạ áp cho đƣờng dây có phụ tải phân bố đều. Số liệu ban đầu của bù kinh tế: Điện áp phía có đặt tụ bù : 22.00 kV Hệ số vận hành và hs tiêu chuẩn avh+atc = 0.225 Tiền đầu tư tụ bù K0= 5000 $/MVA Tiền điện năng tổn thất c = 50 $/MWh Trang: 5
6. Tổn thất điện năng 1 đơn vị tụ bù (pu) : 0.005 Thời gian tổn thất công suất cực đại : To = 3410 gờ/năm Số nút bù : 7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Phân bố công suất sau khi đặt thiết bị bù Qua quá trình lặp ta xác định được dòng công suất nhánh và tổn thất công suất kháng deltaQL - deltaQC: 0.192 MVAr Giảm tổn thất công suất tren đường dây sau khi đặt tụ bù : 75.022 kW Giảm tổn thất tren đường dây sau khi đặt tụ bù : 255.825,535 kWh//năm. ► Sau khi đặt tụ bù thì ta thấy tổn thất công suất kháng giảm so với ban đầu khi chưa đặt tụ bù deltaQL - deltaQC: 0.083 MVAr. 3. Bù công suất phản kháng trên đƣờng dây có phụ tải phân bố đều. Ta xét 3 trƣờng hợp nhƣ khi chƣa bù CSPK, khi bù lúc phụ tải max, lúc phụ tải min. Xét 01 đường dây có phụ tải phân bố đều số liệu cụ thể như sau: 1 2 - Chiều dài : 10.00 km - Phụ tải phân bố trên đoạn: + Ppb = 3200.000 kW + Qpb = 2400.000 kVAr + Spb = 4000.000 kVA - Phần trăm sụt áp cho phép : 4.00 % - Hệ số phụ tải Kpt = 0.75 - Phụ tải min = 40% Phụ tải max. - Tiết diện dây pha AC-35, Tiết diện dây trung tính : AC-25 - Dòng cho phép : 170.00 A - Điện trở 1 km chiều dài r0 = 0.850 ohm/km - Cảm kháng 1 km chiều dài x0 = 0.371 ohm/km Dòng điện tổng đầu đường dây : 104.97 A - Điện trở R = 8.500 Ω - Cảm kháng X = 3.710 Ω - Phụ tải Phân bố trên đoạn: + Ppb = 3200.000 kW Trang: 6
7. + Qpb = 2400.000 kVAr - Phần trăm sụt áp do Phụ tải tập trung:0.000 % - Phần trăm sụt áp do Phụ tải Phân bố : 3.730 % - Phần trăm sụt áp trên đoạn : 3.730 % - Tổn thất công suất chỉ do phụ tải tập trung:000.000kW - Tổn thất công suất chỉ do phụ tải phân bố :093.664 kW - Tổn thất công suất do phụ tải ảnh hưởng tải tập trung và phân bố : 000.000 Kw.  Qua quá trình tính toán xác định đƣợc dung lƣợng bù và tổn thất điện năng của đƣờng dây có phụ tải phân bố đều ta có bảng tổng hợp và so sánh nhƣ sau: Trƣờng hợp Trƣờng hợp Trƣờng hợp Stt Nội dung Đvt chƣa bù CS bù CS PK khi bù CS PK khi PK phụ tải max phụ tải min 1 Hệ số Phụ tải Kpt 0,75 0,75 0,75 2 Hệ số tổn thất Ktt 0,62 0,62 0 3 Tổng phụ tải toàn tuyến Ptổng kW 3.200 32.000 1.280 Qtổng kVAr 2.400 1.584 760,533 4 Tổng điện năng cung cấp trong kWh 21.024.000 21.024.000 8.409.600 năm 5 Tổng tổn thất điện năng kWh 507.681,818 378.311,789 0 6 Tổng tổn thất công suất kW 93,664 69,796 12,359 7 Phần trăm tổn thất công suất % 2,93 2,18 0,97 8 Phần trăm sụt áp toàn tuyến % 3,73 3,24 1,38 9 Phần trăm tổn thất điện năng % 2,41 1,80 0 Nhận xét: Ta thấy trường hợp khi phụ tải max chưa bù thì phần trăm sụt áp là 3.73% sau khi bù thì ta thấy sụt áp giảm chỉ còn 3.24%, phần trăm tổn thất điện năng cũng giảm khi bù là từ 2.41% xuống còn 1.8% từ các tính toán trên ta thấy rằng các kết quả trên nằm trong phạm vi cho phép của lưới điện Việt Nam và trên thế giới. 4. Tính bù kinh tế cho mạng điện kín vận hành hở tại điểm dừng tối ƣu, phân bố công suất lúc sự cố khi phụ tải max và min. Xét 01 lưới phân phối có công suất phụ tải như sau: Tổng công suất tác dụng của phụ tải : P_tổng = 10.450 MW Tổng công suất phản kháng của phụ tải : Q_tổng = 9.204 MW Tổng công suất biểu kiến của phụ tải : S_tổng = 10.450 MWA Tổng dòng điện trên đường dây lúc sự cố : I_tổng = 365.442 A Mã hiệu dây : AC-120 , Điện trở r0 = 0.270 Ω/km, Dòng cho phép : Icp = 360.00 A Hãy Xác định dòng công suất nhánh và tổn thất? 1 2 3 4 5 6 7 8 15 14 13 12 11 10 9 Trang: 7
8.  Qua quá trình tính toán xác định đƣợc nhánh cần cắt, dung lƣợng bù và tổn thất điện năng của đƣờng dây khi vận hành hở ta có bảng tổng hợp và so sánh nhƣ sau: Trƣờng Trƣờng Trƣờng Trƣờng Trƣờng hợp hợp hợp bù hợp Khi cắt hợp lúc sự phụ tải min Stt Nội dung Đvt sau khi cƣỡng bức nút số 6 và cố phải khi cắt nút 6 bù CS khi cắt nút chƣa bù cắt nút 15 và chƣa bù PK 6 1 Tổng tổn thất CSPK MVAr 0,203 0,146 0,925 0,032 0,022 2 Tổn thất công suất tác kW 156,600 43,924 714 24 7,819 dụng toàn mạng điện 3 Phần trăm sụt áp trên % 2,69 1,96 10,70 1,06 0,68 mạng điện Nhận xét: Ta thấy trường hợp khi cắt nút số 6 lúc chưa bù thì phần trăm sụt áp là 2.69% sau khi bù thì ta thấy sụt áp giảm chỉ còn 1,96 % và khi sự cố phải cắt nút 15 ta thấy phần trăm sụt áp tăng lên rất cao là 10,70 % từ những số liệu trên cho ta thấy rằng khi bị sự cố thì sụt áp tăng cao đồng thời là tổn thất tăng cao. IV. KẾT LUẬN Sử dụng phần mềm Matlab để tính toán chính xác vị trí bù, dung lượng cần bù và từ đó tính toán dược Tổn thất công suất tác dụng toàn mạng điện, Phần trăm sụt áp trên mạng điện trên đường dây phân phối 22 KV 22 kV có phụ tải phân bố đều, từ đó ứng dụng trong tính toán thiết kế, vận hành và điều khiển HTĐ góp phần nâng chất lượng điện năng. Tài liệu tham khảo [01]. Hồ Văn Hiến - Hệ thống điện truyền tải và phân phối – NXB Đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh – 2003. [02]. Tính toán lưới điện sử dụng phần mềm PSS/ADEPT (tài liệu tập huấn tập 2) của Phòng CNTT-VT Công ty Điện lực thành phố Hồ Chí Minh và Khoa Điện - Điện Tử Trường ĐHBK. [03]. Trần Vinh Tịnh - Áp dụng các phương pháp tối ưu hóa nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế vận hành hệ thống cung cấp điện – Đà Nẵng. [04]. Trần Bách - Lưới điện & Hệ thống điện, Tập 1 - Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật - 2000. [05]. Vũ Ngọc Tước – Mô hình hóa và mô phỏng bằng máy tính – NXB Giáo Dục – 2001. [06]. Schneider Electric S.A - Điện công nghiệp - NXB Tp. Hồ Chí Minh – 2004. [07]. Turan Gonen - Electric power distribution system engineering - Mc Graw - Hill Companies Incorporated - 1986. [08]. PSS/ADEPT 5.0, User’s Guide – Shaw Power Technologies - 04 / 2004. THÔNG TIN LIÊN HỆ TÁC GIẢ Họ tên: Lê Văn Hưng Đơn vị: Công ty Điện Bình Phước. Điện thoại: 0945.469639 Email: hunglv046@yahoo.com.vn Trang: 8
9. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.