Bộ giáo dục và đào tạo đại học thái nguyên TRNG đại học kỹ thuật công nghiệp DNG hòa an Vấn đề cos, bù công suất phản kháng và thị TRNG điện năng phản kháng Chuyên ngành: thiết bị mạng và hệ thống điện Luận văn thạc sỹ khoa học kỹ thuật Thái nguyên năm 2008 Bộ giáo dục và đào tạo đại học thái nguyên TRNG đại học kỹ thuật công nghiệp DNG hòa an Vấn đề cos, bù công suất phản kháng và thị TRNG điện năng phản kháng Chuyên ngành: thiết bị mạng và nhà máy điện Luận văn thạc sỹ khoa học kỹ thuật Ngi hng dn khoa hc: PGS.TS. Phạm Văn Hòa Thái nguyên năm 2008 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 Q C ~ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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. [...]... 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... 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... 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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... 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... 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) Dung lƣợng tụ bù đóng cắt xác... 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 K kt DPp Qb Qb QR (2 ) Q U2 (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... 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. .. 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 : 2 r0 q0 L3 /(3.U 2 ) P 1 Ta đặt bù sao cho công suất phản kháng. .. Qmin + công suất phản kháng đến tải - công suất phản kháng đi 0 t về nguồn t b) T qb2 (t) - 0 c) Qmax qb2(t) T Q b=Qmax + Qmin 0 d) 0 c) qb3(t) - T T 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... =0 và giải ta đƣợc lxop 2 q0 r0 2 [3.l x 3( L l x ) 2 / 4] 0 2 3.U DP lx L 3 lbop Từ đây ta có vị trí bù tối ƣu l xop 2L 3 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 . 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, . 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. . 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