CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ KINH TẾ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 1. TỔNG QUÁT LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây truyền tải và phân phối điện được nối với nhau thành hệ thống làm nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng. Do phụ tải ngày càng phát triển với tốc độ ngày càng cao, vì vậy cần xây dựng các nhà máy có công suất lớn. Vì lý do kinh tế và môi trường, các nhà máy điện được xây dựng ở những nơi gần nguồn nhiên liệu.
Trong khi đó các trung tâm phụ tải lại ở xa, do vậy phải dùng lưới điện truyền tải để chuyển tải điện năng đến các hộ phụ tải. Vì lý do kinh tế cũng như an toàn, người ta không thể cung cấp trực tiếp cho các phụ tải bằng lưới truyền tải, do vậy phải xây dựng LĐPP. LĐPP trung áp có các cấp điện áp 6, 10, 15, 22, 35KV phân phối điện cho các trạm biến áp phân phối trung-hạ áp, lưới hạ áp cấp điện trực tiếp cho các phụ tải hạ áp. LĐPP có nhiệm vụ chính trong việc đảm bảo chất lượng phục vụ phụ tải, vì vậy việc nghiên cứu thiết kế, vận hành hệ thống LĐPP là hết sức quan trọng.
Khi thiết kế xây dựng LĐPP phải đảm bảo các chỉ tiêu: - An toàn cho lưới điện và cho con người. - Chi phí xây dựng lưới điện là kinh tế nhất. - Đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện nhất, bằng các biện pháp như có thể có nhiều nguồn cung cấp, có đường dây dự phòng, có nguồn thay thế như máy phát, cấu trúc mạng kín vận hành hở … - Vận hành dễ dàng, linh hoạt và phù hợp với việc phát triển lưới điện trong tương lai. - Đảm bảo chất lượng điện năng cao nhất về ổn định tần số và ổn định điện áp.
- Đảm bảo chi phí vận hành, bảo dưỡng là nhỏ nhất. LĐPP có thể thiết kế, vận hành trên không hoặc ngầm dưới đất. LĐPP ngầm thường xây dựng khu vực thành phố có mật độ phụ tải cao để đảm bảo mỹ quan, an toàn cung cấp điện. CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ KINH TẾ VẬN HÀNH LĐPP LĐPP có ảnh hưởng lớn đến các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật của hệ thống điện, cụ thể là: - Chất lượng cung cấp điện ảnh hưởng trực tiếp đến các hộ tiêu thụ.
- Tổn thất điện năng thường gấp 3 – 4 lần so với lưới điện truyền tải. - Giá đầu tư xây dựng chiếm tỷ trọng lớn: nếu chia theo tỷ lệ vốn đầu tư mạng cao áp là 1 thì mạng phân phối trung áp thường 1,5 – 2 lần và mạng phân phối hạ áp thường 2 – 2,5 lần. - Xác suất ngừng cung cấp điện do sự cố, sửa chữa bảo quản theo kế hoạch, cải tạo, đóng điện trạm mới trên LĐPP cũng nhiều hơn lưới điện truyền tải. Vì vậy việc nghiên cứu các biện áp nâng cao hiệu quả kinh tế vận hành LĐPP sẽ đem lại lợi ích rất lớn.
Các biện pháp này hầu hết nhằm mục đích giảm chỉ tiêu tổn thất công suất, tổn thất điện năng. Để đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế thì các bài toán điển hình sau đây thường được quan tâm giải quyết: - Bài toán tối ưu hoá cấu trúc sơ đồ lưới, tiêu chuẩn hoá tiết diện dây dẫn và công suất trạm. - Bài toán điều khiển vận hành nhằm giảm tổn thất, nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện. - Bài toán đặt thiết bị bù tối ưu nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế cung cấp điện.
Trong đó, bài toán đặt thiết bị bù tối ưu là một trong những biện pháp kỹ thuật giải quyết hiệu quả tổng hợp nhất. Tuy nhiên, bài toán bù CSPK trong LĐPP là bài toán phức tạp vì: - LĐPP có cấu trúc phức tạp, một trạm trung gian có nhiều trục chính, mỗi trục cấp điện cho nhiều trạm phân phối. Cấu trúc LĐPP liên tục phát triển theo thời gian và không gian. - Chế độ làm việc của phụ tải không đồng nhất và tăng trưởng không ngừng.
- Thiếu thông tin chính xác về đồ thị phụ tải phản kháng. - Công suất tụ là biến rời rạc. 5 Trước các khó khăn đó, để có thể giải quyết được bài toán bù, phải phân chia bài toán bù thành các bài toán nhỏ hơn và áp dụng các giả thiết giản ước khác nhau. Các giả thiết giản ước phải đảm bảo không làm sai lệch quá mức đến kết quả tính toán, nó phải đảm bảo lời giải phải gần với lời giải tối ưu lý thuyết.
Các giả thiết giản ước được thừa nhận rộng rãi và có thể được áp dụng là: - Bài toán bù được giải riêng cho từng xuất tuyến trung áp. - Giả thiết đồ thị phụ tải của các trạm phân phối trong cùng xuất tuyến trung áp là như nhau và giống như đồ thị phụ tải đo được ở đầu xuất tuyến trung áp. Đồ thị phụ tải phản kháng có thể được đặc trưng bởi CSPK trung bình Qtb hay hệ số sử dụng CSPK Ksd = Qtb/Qmax và thời gian sử dụng CSPK Tqmax. - Bài toán so sánh các phương án bù tối ưu trong cùng một xuất tuyến sẽ được thực hiện cùng một chế độ phụ tải.
- Coi Qb không phụ thuộc điện áp và lợi ích do bù không đổi trong suốt thời gian vận hành. - Giả thiết suất đầu tư tụ bù có quan hệ tuyến tính với công suất cụm tụ. Bài toán bù CSPK trong LĐPP giải quyết được nhiều vấn đề cơ bản trong công tác tối ưu hoá hệ thống cung cấp điện, trong đó tính tổng quát của bài toán được xét trên nhiều phương diện khác nhau. Luận văn sẽ nghiên cứu giải quyết bài toán đặt thiết bị bù để nâng cao hiệu quả kinh tế và tối ưu vận hành cung cấp điện.
BÙ CSPK VÀ BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA LẮP ĐẶT THIẾT BỊ BÙ 1. Khái niệm công suất phản kháng Một mạch điện có tải là điện trở R và điện kháng X được cung cấp bởi điện áp: u = Um sin t như hình vẽ 1-1: Z X R Hình 1. Tam giác tổng trở Dòng điện i lệch pha với u một góc : i = Im sin( t - ) hay i = Im (sin t cos - sin cos t) = i’ + i” i’ = Im cos sin t và i” = Im sin cos t = - Im sin sin( t- /2) 6 Như vậy dòng điện i là tổng của hai thành phần: + i’ có biên độ Im cos cùng pha với điện áp + i” có biên độ Im sin chậm pha so với điện áp một góc /2. Công suất tương ứng với hai thành phần i’ và i” là: P = U.I cos gọi là công suất tác dụng Q = U.I sin gọi là CSPK Từ tam giác tổng trở hình 1-1 ta có thể viết: P = U.I2 Vậy CSPK của một nhánh nói lên cường độ của quá trình dao động năng lượng.
Ta có thể biểu diễn quan hệ S, P, Q như hình 1-2: U. Tam giác công suất Các thành phần mang tính điện kháng hay điện dung trong mạng điện sẽ sử dụng CSPK. Sự tiêu thụ công suất phản kháng CSPK được tiêu thụ ở động cơ không đồng bộ, máy biến áp, trên đường dây tải điện và mọi nơi có từ trường. Yêu cầu CSPK chỉ có thể giảm đến tối thiểu chứ không thể triệt tiêu được, vì nó cần thiết để tạo ra từ trường, yếu tố trung gian trong quá trình chuyển hoá điện năng.
Sự tiêu thụ CSPK được phân chia như sau: - Động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 60 đến 65% 7 - Máy biến áp tiêu thụ khoảng 22 đến 25 % - Đường dây tải điện và các phụ tải khác tiêu thụ khoảng 10%. a) Động cơ không đồng bộ là thiết bị tiêu thụ CSPK chính trong lưới điện. CSPK tiêu thụ trong động cơ không đồng bộ gồm có 2 thành phần: - Một phần nhỏ CSPK được sử dụng để sinh ra từ trường tản trong mạch điện sơ cấp và thứ cấp, được tính theo công thức sau: P 1 Io Q tg dm Trong đó: Pdm. dm cos dm I dm + P là công suất tải thực tế của động cơ.
+ Pđm, cos đm, Iđm là công suất, hệ số công suất, dòng điện định mức của động cơ. + đm là hiệu suất của động cơ theo định mức. + Io là dòng điện không tải. - Phần lớn công suất còn lại dùng để sinh ra từ trường khe hở, được Io Pdm tính theo công thức: Q I dm dm cos dm b) Máy biến áp tiêu thụ CSPK nhỏ hơn động cơ không đồng vì không có khe hở không khí.
CSPK tiêu thụ trong máy biến áp gồm có 2 thành phần: - Một phần CSPK dùng để từ hoá lõi thép không phụ thuộc vào tải, io % S dm được tính theo công thức : Qo Trong đó: 100 + Sđm là công suất định mức của máy biến áp. + io là dòng điện không tải tính theo % của dòng điện định mức máy biến áp. - Một phần CSPK khác dùng để tản từ trong máy biến áp, thành phần 2 uN % này phụ thuộc tải, được tính theo công thức: Qtt S dm 100 với: + là hệ số mang tải của máy biến áp. 8 + uN% là điện áp ngắn mạch phần trăm.
c) Đèn huỳnh quang: các đèn huỳnh quang vận hành có một chấn lưu để hạn chế dòng điện. Tuỳ theo điện cảm của chấn lưu, hệ số công suất nằm trong khoảng 0,3- 0,5; Tuy CSPK tiêu thụ trong đèn nhỏ, nhưng số lượng đèn sử dụng nhiều, nên tổng CSPK tiêu thụ khá lớn. Ngày nay các đèn huỳnh quang hiện đại có bộ khởi động điện tử, hệ số công suất gần bằng 1, tuy nhiên các bộ khởi động điện tử này sinh ra các sóng hài. Các biện pháp giảm thấp nhu cầu CSPK Trong thực tế áp dụng những phương pháp mà không dùng thiết bị chuyên bù để giảm thiểu nhu cầu tiêu thụ CSPK.
- Điều chỉnh quá trình công nghệ cho việc nâng cao hệ số cos φ. - Sử dụng những động cơ đồng bộ trong những trường hợp có thể. - Nghiên cứu và thực hiện các biện pháp điều hòa phụ tải, nâng cao hệ số cao thấp điểm, hệ số điều kín phụ tải đảm bảo cho các đường dây và trạm biến áp không bị non tải, không tải hay quá tải. - Nghiên cứu sắp xếp, điều chỉnh quá trình sản xuất trong xí nghiệp để đảm bảo cho các thiết bị tiêu thụ điện (động cơ, máy biến áp, máy hàn,…) không bị thường xuyên không tải hoặc non tải.
- Sử dụng các thiết bị có hiệu suất cao. - Nghiên cứu các phương thức vận hành tối ưu.