Mở đầu Chương 2: Tái cấu hình lưới điện phân phối nhằm tổn thất điện năng là bé nhất Chương 3: Xác định trạng thái vận hành lưới điện phân phối có chi phí bé nhất bằng giải thuật tái cấu hình Chương 4: Ví dụ kiểm tra Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Tài liệu tham khảo 4 Chương 2 TÁI CẤU HÌNH LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI NHẰM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG LÀ BÉ NHẤT 2. Tổng quan về lưới điện phân phối Hệ thống điện phân phối đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện đến các hộ tiêu thụ. Vì lý do kỹ thuật, nó luôn được vận hành theo kiểu hình tia, mặc dù được thiết kế theo kiểu mạch vòng để tăng độ tin cậy trong quá trình cung cấp điện. Tổn thất năng lượng trên lưới phân phối hiện nay khoảng 10%-11%, so với 2%-3% trên lưới điện truyền tải.
Do đó nghiên cứu các biện pháp giảm tổn thất điện năng trên lưới phân phối là một nhu cầu bức xúc, hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích kinh tế [27- 29]. Về mặt lý thuyết, có nhiều biện pháp để giảm tổn thất trong quá trình phân phối điện năng như: bù công suất phản kháng, nâng cao điện áp vận hành lưới điện phân phối, hoặc tăng tiết diện dây dẫn. Tuy các biện pháp này đều mang tính khả thi về kỹ thuật nhưng lại tốn các chi phí đầu tư và lắp đặt thiết bị. Trong khi đó, biện pháp tái cấu trúc lưới thông qua việc chuyển tải bằng cách đóng/mở các cặp khoá điện có sẵn trên lưới cũng có thể giảm tổn thất điện năng đáng kể khi đạt được cân bằng công suất giữa các tuyến dây mà không cần nhiều chi phí để cải tạo lưới điện.
Không chỉ dừng lại ở mục tiêu giảm tổn thất điện năng, tái cấu trúc lưới điện phân phối còn có thể nâng cao khả năng tải của lưới điện, giảm sụt áp cuối lưới và giảm thiểu số lượng hộ tiêu thụ bị mất điện khi có sự cố hay khi cần sửa chữa đường dây [1-6]. Trong quá trình vận hành, thực tế việc tái cấu trúc lưới nhằm giảm tổn thất năng lượng trong điều kiện phải thoả mãn các ràng buộc kỹ thuật với hàng trăm khoá điện trên hệ thống điện phân phối là điều vô cùng khó khăn đối với các điều độ viên. Do đó luôn cần một phương pháp phân tích phù hợp với lưới điện phân phối thực tế và một giải thuật đủ mạnh để tái cấu trúc lưới trong điều kiện thoả mãn các mục tiêu điều khiển của các điều độ viên. 5 Các giải thuật tái cấu trúc lưới luôn được xem xét ở hai góc độ thiết kế và vận hành.
Ở góc độ thiết kế, cần phải chỉ ra vị trí đặt khoá điện và sử dụng loại khoá gì (máy cắt, máy cắt có tải, dao cách ly…) để có thể cực tiểu hoá tổn thất năng lượng và giảm chi phí đóng/cắt khi chuyển tải, giúp điều độ viên có không gian điều khiển đủ lớn đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng trong tương lai. Ở góc độ vận hành, dựa vào các vị trí khoá điện có sẵn, điều độ viên phải chỉ ra cấu trúc vận hành sao cho chi phí vận hành bao gồm chi phí chuyển tải và tổn thất năng lượng là bé nhất. Khi có sự cố hay cần sửa chữa lưới điện, cần phải tái cấu trúc lưới điện sao cho giảm thiểu số lượng khách hàng bị mất điện, chống quá tải các phần tử trên lưới, đảm bảo chất lượng điện năng và giảm tổn thất năng lượng [5-9] 2. Đặc điểm lưới điện phân phối [28] Hình 2.
Sơ đồ nguyên lý lưới điện phân phối điển hình Lưới điện phân phối bao gồm các trạm biến áp và đường dây tải điện, trực tiếp cung cấp điện năng cho các hộ tiêu thụ. Lưới điện phân phối thực hiện nhiệm vụ phân phối điện cho một địa phương thường có bán kính cung cấp điện nhỏ hơn 50 km, tuy nhiên thực tế hiện nay bán kính cấp điện có khu vực có thể lên đến 100 km. Tổng chiều dài và số lượng máy biến áp chiếm tỷ lệ lớn trong toàn hệ thống, số lượng lộ 6 ra, nhánh rẽ lớn hơn 5 – 7 lần lưới điện truyền tải. Đường dây tuy có bán kính cấp điện ngắn nhưng cấu trúc của lưới điện phức tạp [10-14].
Sơ đồ khối hệ thống điện Lưới điện phân phối nhận điện từ các các trạm phân phối khu vực gồm: Trạm 110/35-22-15-10-6 kV. Hiện nay lưới điện phân phối của Việt Nam đang quy dần về cấp điện áp 22 kV, và một số cấp điện áp 35 kV. Hoặc một số trạm trung gian 35/22- 15-10-6 kV. Phương thức cung cấp điện của lưới điện phân phối: Phân phối theo một cấp trung áp, trạm phân phối có thể là các trạm nâng áp của các nhà máy điện phân tán, hoặc trạm phân phối khu vực dạng Cao áp/Trung áp (110/35-22-15-10-6 kV).
Lưới điện phân phối có ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của toàn hệ thống: - Chất lượng cung cấp điện: ở đây là độ tin cậy cung cấp điện và độ dao động của điện áp, tần số tại phụ tải. 7 - Tổn thất điện năng: Thường tổn thất điện năng ở lưới phân phối lớn gấp 3 đến 4 lần so với tổn thất ở lưới truyền tải. - Giá đầu tư xây dựng: nếu chia theo tỉ lệ cao áp, phân phối trung áp, phân phối hạ áp thì vốn đầu tư mạng cao áp là 1, mạng phân phối trung áp, hạ áp thường từ 2,5 đến 3 lần. - Xác suất sự cố: Sự cố gây ngừng cung cấp điện, hoặc cắt điện để sữa chữa, bảo trì thiết bị theo kế hoạch, cải tạo, xây lắp đường dây và trạm phân phối mới… lưới điện phân phối cũng nhiều hơn lưới truyền tải.
Nhiệm vụ của lưới điện phân phối - Cung cấp phương tiện để truyền tải năng lượng điện đến hộ tiêu thụ. - Cung cấp phương tiện để các công ty điện lực có thể bán điện. - Đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện. - Đảm bảo các thông số vận hành trong giới hạn cho phép.
- Các hệ thống bảo vệ hoạt động tin cậy. - Đường dây, máy biến áp và các thiết bị khác không bị quá tải. Chế độ vận hành lưới điện phân phối [21-28] Để giảm tổn thất trên lưới điện phân phối có nhiều phương pháp để thực hiện + Chống tổn thất thông qua cải tạo lưới điện: Phát triển trục hệ thống truyền tải: Xây dựng các đường truyền tải chính xuyên qua các vùng trong nước có cấp điện áp 110 kV, 220 kV, 500 kV. Xây dựng các nhà máy và các trạm ở các trung tâm phụ tải: Phần lớn điện năng được cung cấp từ các nhà máy ở xa trung tâm phụ tải.
Xây dựng các nhà máy nhiệt điện lớn gần tâm phụ tải cải thiện sự mất cân đối trong việc điều độ hệ thống. Điều này làm giảm được sự phân chia công suất trên đường dây dài, góp phần giảm tổn thất truyền tải và phân phối. Đơn giản hóa các cấp điện áp: Chẳng hạn ở miền Nam cấp điện áp 66 kV dần dần được thay bằng cấp 110 kV và chỉ còn cấp điện áp 110 kV, 220 kV trên lưới truyền tải cũng nhằm mục đích giảm tổn thất. Thay các đường dây phân phối trung áp và hạ áp, biến đổi hệ thống phân phối một pha thành ba pha: Các đường dây cũ bị quá tải do phụ tải phát triển được 8 thay bằng dây dẫn có đường kính lớn hơn hoặc là cải thiện các đường dây ba pha 220V thành điện áp 380V.
Các đường dây một pha trên mạng nông thôn do khoảng cách dài nên gây sụt áp và tổn thất điện năng được chuyển đổi thành đường dây ba pha. Đặt tụ bù để nâng cao cos đường dây: Hệ số công suất thấp gây ra bởi các phụ tải động cơ cảm ứng, cùng với tính cảm của đường dây. Điều này gây ra sụt áp lớn và tổn thất điện năng nhiều hơn trên đường dây. Tụ điện bù ngang trên đường dây được dùng ở những nơi cần điều chỉnh cos cao hơn trên cơ sở của việc đo hệ số công suất trên đường dây phân phối.
Các nơi tiêu thụ có động cơ bắt buộc phải đặt tụ bù, cos ở cuối đường dây yêu cầu từ 0,85 đến 0,95, các phụ tải có cos thấp bị phạt với giá tiền điện cao hơn. Gần đây, các đồ điện gia dụng có hệ số công suất thấp, chẳng hạn như đèn huỳnh quang cũng đặt tụ điện bù cos ngay từ nơi sản xuất. Giảm tổn thất trong các máy biến áp phân phối: Tổn thất sắt của máy biến áp phân phối chiếm một phần lớn của tổng tổn thất. Việc dùng các máy biến áp có tổn thất sắt thấp (lõi sắt cuốn) thay cho các máy biến áp cũ cũng làm giảm tổn thất đáng kể.
+ Chống tổn thất thông qua cải thiện điều kiện về vận hành: Giảm tổn thất thông qua điều độ kinh tế trong hệ thống: Với khả năng dự trữ sẵn có của các nhà máy điện để đảm bảo chất lượng điện năng về điện áp và tần số, việc điều độ hệ thống được thực hiện bởi điều độ trung tâm và điều độ địa phương. Tác dụng của việc vận hành kinh tế trong hệ thống điện đã giảm được tổn thất điện năng qua việc duy trì điện áp ổn định trong hệ thống, điều khiển máy phát nhằm cân bằng công suất trong hệ thống, cực tiểu công suất phản kháng phát ra ở nhà máy. Cung cấp trực tiếp bằng điện áp cao đến các phụ tải: Các phụ tải công suất lớn có số lượng ngày càng tăng kết quả của nền kinh tế phát triển nhanh được khuyến khích nhận điện trực tiếp từ điện áp cao qua trạm biến áp phân phối đặt 9 ngay tại nơi tiêu thụ. Điều này làm giảm tổn thất và tránh tổn thất điện năng do cung cấp qua nhiều cấp điện áp, chẳng hạn phát triển các cấp điện áp 110 kV, 35 kV,….để dễ dàng nối đến các phụ tải lớn bằng các cấp điện áp này thay vì cung cấp từ các cấp điện áp 6, 10, 15, 22 kV.
Giảm tổn thất thông qua cải thiện hệ số phụ tải: Hệ số phụ tải còn được gọi là hệ số điền kín phụ tải. Khi hệ số phụ tải của hệ thống thấp, khả năng phát để cung cấp cho phụ tải cực đại càng lớn. Điều này có nghĩa là phải đầu tư nhiều hơn cho nguồn, lưới và tổn thất công suất tỉ lệ với bình phương của cường độ dòng điện cũng từ đó mà tăng lên.