Nghiên cứu bù công suất phản kháng cho lưới điện trung thế huyện Mai Sơn - tỉnh Sơn La

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THANH DŨNG

NGHIÊN CỨU BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO LƢỚI ĐIỆN TRUNG

THẾ HUYỆN MAI SƠN – TỈNH SƠN LA

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỆN

Thái Nguyên - năm 2020

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THANH DŨNG

NGHIÊN CỨU BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO LƢỚI ĐIỆN TRUNG

THẾ HUYỆN MAI SƠN – TỈNH SƠN LA

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

MÃ SỐ: 8.52.02.01

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. TS. Trƣơng Tuấn Anh

Thái Nguyên – năm 2020

i

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Thanh Dũng

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Trƣơng Tuấn Anh

Đề tài luận văn: “Nghiên cứu bù công suất phản kháng cho lưới điện

trung thế huyện Mai Sơn – tỉnh Sơn La”.

Ngành: Kỹ thuật điện

Mã ngành: 8.52.02.01

Tác giả, Ngƣời hƣớng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận

tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày

10/10/2020 với các nội dung sau:

- Đã sửa một số lỗi chính tả, lỗi chế bản trong luận văn.

- Đã bổ sung kết luận chƣơng 1, chƣơng 3.

- Đã chỉnh sửa một số nội dung theo ý kiến của Hội đồng bảo vệ.

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 10 năm 2020

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học

TS. Trƣơng Tuấn Anh

Tác giả luận văn

Nguyễn Thanh Dũng

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS. Võ Quang Lạp

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn là công trình nghiên cứu của riêng tôi, số liệu và kết

quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất

kỳ một bản luận văn nào trƣớc đây.

Tác giả luận văn

Nguyễn Thanh Dũng

iii

LỜI CẢM ƠN

Qua một thời gian thực hiện, đến nay đề tài: “Nghiên cứu bù công suất phản

kháng cho lƣới điện trung thế Huyện Mai Sơn - Tỉnh Sơn Laˮ đã đƣợc hoàn thành.

Trong thời gian thực hiện, tôi đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ quý báu của các cá

nhân, tập thể trong và ngoài trƣờng.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Trƣơng Tuấn Anh về sự quan tâm,

giúp đỡ tôi rẩt tận tình trong phƣơng pháp và các nội dung nghiên cứu.

Tôi xin chân thành cảm ơn tới các thầy, cô giáo trong bộ môn Hệ thống điện,

Khoa điện, trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, sự giúp đỡ chân tình của các bạn

đồng nghiệp, gia đình đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, công

tác, nghiên cứu và hoàn thành luận văn.

Trong quá trình thực hiện, do thời gian hạn hẹp nên luận văn có thể có những

thiếu sót. Tôi mong muốn nhận đƣợc những ý kiến đóng góp để luận văn đƣợc hoàn

thiện thêm và kết quả nghiên cứu thực sự có ý nghĩa góp phần nâng cao chất lƣợng

điện năng, giảm tổn thất điện năng cho lƣới điện trung thế huyện Mai Sơn nói riêng và

lƣới điện toàn tỉnh Sơn La.

Tôi xin trân trọng cảm ơn!

Tác giả luận văn

Nguyễn Thanh Dũng

iv

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN.....................................................................................................i

LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................iii

MỤC LỤC .............................................................................................................iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT......................................................................vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..........................................................................viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ...................................................................ix

LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................ 1

CHƢƠNG 1 - GIỚI THIỆU CHUNG....................................................................... 4

1.1. Vai trò, đặc điểm chung của lƣới phân phối.................................................... 4

1.2. Sự tiêu thụ công suất phản kháng................................................................... 5

1.3. Các nguồn phát công suất phản kháng............................................................ 7

1.4. Các tiêu chí bù công suất phản kháng trên lƣới phân phối ............................. 10

1.4.1. Tiêu chí kỹ thuật .................................................................................. 10

1.4.1.1. Yêu cầu về cosφ......................................................................................... 10

1.4.1.2. Đảm bảo mức điện điện áp cho phép ...................................................... 11

1.4.1.3. Giảm tổn thất công suất đến giới hạn cho phép ..................................... 13

1.4.2. Tiêu chí kinh tế .................................................................................... 14

1.5. Sơ đồ đấu nối tụ và phƣơng thức điều khiển tụ bù ........................................ 16

1.5.1. Sơ đồ đấu nối tụ bù tĩnh........................................................................ 16

1.5.1.1. Nối tụ điện theo sơ đồ hình tam giác (Δ), sơ đồ nối dây của tụ nhƣ

hình vẽ 1.4................................................................................................................. 16

1.5.1.2. Nối tụ điện theo sơ đồ hình sao (Y), sơ đồ nối dây của tụ nhƣ hình vẽ

1.5 .................................................................................................................. 17

1.5.1.3. Các kiểu đấu nối bộ tụ điện ba pha.......................................................... 17

1.5.2. Sơ đồ nối dây và điện trở phóng điện ................................................... 18

1.5.2.1. Sơ đồ nối dây của tụ điện điện áp cao..................................................... 18

1.5.2.2. Sơ đồ nối dây của tụ điện điện áp thấp ................................................... 19

1.5.2.3. Bù riêng....................................................................................................... 21

1.5.2.4. Bù nhóm...................................................................................................... 21

1.5.2.5. Bù tập trung ................................................................................................ 22

1.5.3. Nguyên lý điều khiển các thiết bị bù sử dụng tụ điện tĩnh....................... 23

1.5.3.1. Cơ sở điều khiển ........................................................................................ 23

v

1.5.3.2. Điều chỉnh dung lƣợng bù ........................................................................ 23

CHƢƠNG 2 - ẢNH HƢỞNG CỦA THIẾT BỊ BÙ, CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH

TOÁN BÙ TRONG LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ...................................................... 26

2.1. Ảnh huởng của thiết bị bù đến thông số thiết kế ........................................... 26

2.1.1. Đặt vấn đề ........................................................................................... 26

2.1.2. Các ảnh hƣởng của thiết bị bù đến thông số thiết kế của mạng điện........ 27

2.1.2.1. Giảm ΔP và ΔA.......................................................................................... 27

2.1.2.2. Giảm tiết diện của dây dẫn trong mạng điện.......................................... 27

2.1.2.3. Giảm công suất của máy biến áp ............................................................. 30

2.1.2.4. Tăng cƣờng khả năng tải của mạng......................................................... 30

2.2. Ảnh hƣởng của thiết bị bù đến tổn thất công suất và tổn thất điện năng ......... 31

2.2.1. Lƣới phân phối có một phụ tải ............................................................. 31

2.2.2. Lƣới phân phối có phụ tải phân bố đều trên trục chính .......................... 34

2.3. Ảnh hƣởng của thiết bị bù đến chế độ điện áp của lƣới phân phối ................. 35

2.3.1. Phân tích ảnh hƣởng của thiết bị bù CSPK đối với chất lƣợng điện áp .... 35

2.3.1.1. Tác động quá độ trong quá trình đóng cắt tụ.......................................... 35

2.3.1.2. Ảnh hƣởng cửa sóng hài lên các thiết bị điện ........................................ 38

2.3.2. Các hạn chế của công suất bù phản kháng đối với chất lƣợng điện ......... 43

2.3.3. Một số giải pháp chống quá điện áp khi đóng cắt tụ............................... 46

2.4. Các phƣơng pháp tính toán dung luợng và vị trí bù công suất phản kháng ..... 46

2.4.1. Bù CSPK để nâng cao hệ số công suất cosφ ......................................... 46

2.4.2. Tính bù CSPK theo điều kiện cực tiểu tổn thất công suất ....................... 49

2.4.3. Tính bù CSPK theo điều kiện điều chỉnh điện áp ................................... 49

2.4.4. Tính bù CSPK theo theo phƣơng pháp bù kinh tế .................................. 50

2.4.4.1. Cực đại hóa lợi nhuận................................................................................ 51

2.4.4.2. Cực tiểu chi phí tính toán Zmin ............................................................... 52

2.4.4.3. Cực đại lợi nhuận....................................................................................... 53

2.4.5. Phƣơng pháp tính toán lựa chọn công suất và vị trí bù tối ƣu trong mạng

điện phân phối............................................................................................... 54

2.4.5.1. Tính toán bù trên đƣờng dây có phụ tải tập trung và phân bố đều ...... 55

2.4.5.2. Xác định vị trí tối ƣu của tụ bù ................................................................ 61

2.4.6. Công cụ tính toán................................................................................. 63

2.4.6.1. Đặt vấn đề ................................................................................................... 63

vi

2.4.6.2. Giới thiệu về phần mềm PSS/ADEPT .................................................... 63

2.4.6.3. Các cơ sở tính toán bù CSPK bằng chƣơng trình PSS/ADEPT........... 65

2.5. Đánh gıá hıệu quả của bù công suất phản kháng ........................................... 73

2.5.1. Ảnh hƣởng của hệ số công suất và thời gian Tm..................................... 73

2.5.1.1. Ảnh hƣởng của hệ số cosφ đến tổn thất công suất................................. 73

2.5.1.2. Quan hệ giữa tổn thất điện năng và hệ số cosφ và thời gian Tm......... 73

2.5.1.3. Quan hệ phụ thuộc giữa chi phí đầu tƣ với cosφ và Tm....................... 73

2.5.1.4. Quan hệ phụ thuộc giữa chi phí tính toán với hệ số công suất và Tm 74

2.5.2. Hiệu quả của việc bù công suất phản kháng........................................... 74

2.5.2.1. Lƣợng tiết kiệm công suất do bù CSPK.................................................. 74

2.5.2.2. Khảo sát các thành phần chi phí bù CSPK ............................................. 75

CHƢƠNG 3 - TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ DUNG LƢỢNG BÙ TỐI ƢU

CHO LƢỚİ ĐIỆN TRUNG THẾ HUYỆN MAI SƠN............................................. 77

3.1. Hiện trạng lƣới điện trung thế huyện Mai Sơn .............................................. 77

3.1.1. Hiện trạng nguồn cung cấp điện............................................................ 77

3.1.2. Hiện trạng lƣới điện trung thế ............................................................... 77

3.1.3. Hiện trạng bù của lƣới điện trung thế .................................................... 77

3.1.4. Hiện trạng đồ thị phụ tải các lộ đƣờng dây ............................................ 78

3.1.4.1. Xây dựng đồ thị phụ tải ngày điển hình.................................................. 78

3.1.4.2. Xây dựng đồ thị phụ tải trên phần mềm PSS/ADEPT .......................... 80

3.1.5. Hiện trạng tổn thất và thông số vận hành các lộ đƣờng dây .................... 80

3.2. Tính toán xác định vị trí và dung lƣợng bù tối ƣu cho lƣới điện trung thế huyện

Mai Sơn ( lộ 378 E17.2 ).............................................................................. 83

3.3. Đề xuất các giải pháp nhằm đảm bảo vận hành tối ƣu các bộ tụ bù trên hệ thống

lƣới điện trung thế huyện Mai Sơn ............................................................... 87

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................ 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 90

PHỤ LỤC ............................................................................................................. 91

vii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CSPK: Công suất phảng kháng

CSTD: Công suất tác dụng

HTĐ: Hệ thống điện

MBA: Máy biến áp

KĐB: Không đồng bộ

LĐPP: Lƣới điện phân phối

LĐTT: Lƣới điện truyền tải

ĐZ: Đƣờng dây

HMT: Hàm mục tiêu

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Quan hệ giữa hệ số công suất và công suất toàn phần.....................................7

Bảng 2.1. Giá thành đƣờng dây trên không 1 mạch điện áp 110kV (106

đ/km)...........29

Bảng 2.2. Giá trị của kkt theo phƣơng thức cấp điện....................................................48

Bảng 3.1. Hiện trạng nguồn cấp ....................................................................................77

Bảng 3.2. Bảng thống kê dung lƣợng bù của tụ điện ....................................................78

Bảng 3.3. Kết quả tính toán tổn thất trên lƣới lộ 378 trƣớc khi lắp tụ bù (phụ lục 3.3a,

phụ lục 3.3b)..................................................................................................................82

Bảng 3.4. Kết quả tính toán tổn thất trên lƣới lộ 378 hiện trạng (đã lắp tụ bù) (phụ lục

3.4a, phụ lục 3.4b). ........................................................................................................82

Bảng 3.5. Kết quả tính toán tổn thất trên lƣới lộ 382 trƣớc khi lắp tụ bù (phụ lục 3.5a,

phụ lục 3.5b)..................................................................................................................82

Bảng 3.6. Kết quả tính toán tổn thất trên lƣới lộ 382 hiện trạng (phụ lục 3.6a, phụ lục

3.6b)...............................................................................................................................83

Bảng 3.7a. Vị trí và dung lƣợng bù cố định ở lƣới trung áp .........................................84

Bảng 3.7b. Vị trí và dung lƣợng bù đóng cắt ở lƣới trung áp .......................................85

Bảng 3.8. Kết quả tính toán tổn thất trên lƣới lộ 378 sau khi lắp tụ bù (phụ lục 3.8a,

phụ lục 3.8b)..................................................................................................................85

Bảng 3.9 Kết quả lƣợng tổn thất công suất giảm đƣợc so với bù tụ nhiên ...................86

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ cung cấp đơn giản ..................................................................................5

Hình 1.2 Quan hệ giữa P và Q.........................................................................................5

Hình 1.3 Quan hệ giữa hệ số công suất và công suất toàn phần .....................................7

Hình 1.4 Tụ đấu tam giác ..............................................................................................16

Hình 1.5 Tụ đấu sao.......................................................................................................17

Hình 1.6 Sơ đồ nối dây của tụ điện điện áp cao ............................................................19

Hình 1.7 Sơ đồ đấu dây của tụ điện điện áp cao bù riêng cho động cơ ........................19

Hình 1.8 Sơ đồ nối dây tụ điện điện áp thấp .................................................................20

Hình 1.9 Bù nhóm .........................................................................................................22

Hình 1.10 Bù tập trung ..................................................................................................22

Hình 1.11 Sự phân bố CSPK theo thời gian..................................................................23

Hình 1.12 Điều chỉnh dung lƣợng bù. ...........................................................................24

Hình 2.1. Sơ đồ mạch tải điện .......................................................................................27

Hình 2.2. Phân tính các dung lƣợng bù .....................................................................31

Hình 2.3. Lƣới phân phối có phụ tải phân bố đều.........................................................34

Hình 2.4. Mạch cộng hƣởng LC....................................................................................44

Hình 2.5. Đƣờng dây chính có phụ tải phân bố đều và tập trung..................................55

Hình 2.6. Đƣờng dây phụ tải tập trung và phân bố đều có một bộ tụ ...........................56

Hình 2.7. Các đƣờng biểu thị độ giảm tổn thất công suất ứng với các độ bù và các vị trí

trên đƣờng dây có phụ tải phân bố đều (λ = 0)..............................................................58

Hình 2.8. Đƣờng dây phụ tải tập trung và phân bố đều có bù 2 bộ tụ ..........................59

Hình 2.9. Đƣờng dây phụ tải tập trung và phân bố đều có bù 3 bộ tụ ..........................60

Hình 2.10. Đƣờng dây phụ tải tập trung và phân bố đều có bù 4 bộ tụ ........................60

Hình 2.11. So sánh độ giảm tổn thất đạt đƣợc khi số tụ bù n = 1,2,3 và ∞ trên đƣờng

dây có phụ tải phân bố đều (λ = 0)................................................................................63

Hình 2.12. Giao diện màn hình chính phần mềm PSS/ADEPT 5.0 ..............................65

Hình 2.13. Thiết lập thƣ viện.........................................................................................68

Hình 2.14. Thiết lập thông số đƣờng dây......................................................................68

Hình 2.15. Thiết lập thông số MBA..............................................................................69

x

Hình 2.16. Thẻ nhập thông số kinh tế ...........................................................................69

Hình 2.17. Thông số kinh tế cho tụ bù trung áp giờ cao điểm......................................70

Hình 2.18. Thông số kinh tế cho tụ bù trung áp giờ thấp điểm.....................................70

Hình 2.19. Giao diện tùy chọn chƣơng trình tính toán..................................................71

Hình 2.20. Hiển thị kết quả tính toán trên sơ đồ ...........................................................71

Hình 2.21. Hiển thị kết quả tính toán trên cửa sổ Progress View .................................72

Hình 2.22. Hiển thị kết quả tính toán trên cửa sổ Report..............................................72

Hình 3.1. Đồ thị phụ tải những ngày điển hình năm 2019 của lộ 378 E17.2................79

Hình 3.2. Đồ thị phụ tải những ngày điển hình năm 2019 của lộ 382 E17.2................79

Hình 3.3. Thẻ phân loại phụ tải .....................................................................................80

Hình 3.4. Thẻ xây dựng đồ thị phụ tải...........................................................................80

Hình 3.5. Cách tính toán tổn thất của lộ đƣờng dây......................................................81

Hình 3.6. Sơ đồ lộ 378 E17.2 trên phần mềm PSS/ADEPT .........................................81

Hình 3.7. Sơ đồ lộ 382 E17.2 trên phần mềm PSS/ADEPT .........................................82

Hình 3.8. Thẻ tính toán dung lƣợng bù .........................................................................84

1

LỜI NÓI ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Đặc điểm của điện năng là các đặc tính của nó phụ thuộc đồng thời vào việc sản

xuất, truyền tải, phân phối, các nhà chế tạo thiết bị và ngƣời vận hành sử dụng. Chất

lƣợng điện là một chủ đề có ý nghĩa chiến lƣợc đối với toàn ngành điện, từ các nhân

viên kỹ thuật vận hành, khai thác bảo dƣỡng, quản lý tới các nhà sản xuất và chế tạo

thiết bị... Do tính chất cạnh tranh của nền kinh tế đòi hỏi chất lƣợng điện phải đƣợc

thƣờng xuyên đảm bảo tốt. Hơn nữa việc sử dụng ngày càng rộng rãi các phụ tải nhạy

cảm với chất lƣợng điện nhƣ máy tính, thiết bị đo lƣờng điều khiển, hệ thống thông tin

liên lạc đòi hỏi phải đƣợc cung cấp điện với chất lƣợng cao. Việc suy giảm chất lƣợng

điện làm cho thiết bị vận hành với hiệu suất thấp, tuổi thọ thiết bị giảm ảnh hƣởng trực

tiếp đến kinh tế, tài chính không những của những hộ dùng điện mà còn ảnh hƣởng

trực tiếp tới các Công ty sản xuất, quản lý và truyền tải điện năng.

Phụ tải công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoạt, ... của lƣới phân phối thƣờng có

hệ số công suất thấp. Vì vậy, ngoài công suất tác dụng lƣới điện còn phải truyền tải

một lƣợng khá lớn công suất phản kháng. Việc truyền tải này làm tăng tổn thất điện

năng trên các phần tử của chúng nhƣ máy biến áp, động cơ không đồng bộ, đƣờng

dây, ... Điều đó làm xấu các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật vận hành lƣới điện và làm xấu

chất lƣợng điện áp ở các hộ tiêu thụ điện. Vì thế bài toán giảm lƣợng công suất phản

kháng truyền tải trong lƣới điện nói chung và lƣới điện các Công ty, Xí nghiệp nói

riêng luôn luôn đƣợc quan tâm khi thiết kế và vận hành. Một trong những biện pháp

giảm công suất phản kháng truyền tải trên lƣới điện nâng cao chất lƣợng điện năng là

bù công suất phản kháng. Tuy nhiên, việc tính toán dung lƣợng bù, vị trí lắp đặt,

phƣơng pháp điều khiển dung lƣợng bù nhƣ thế nào để cân bằng tải, duy trì điện áp

định mức và đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất là những bài toán chƣa có lời giải

chính xác. Vị trí đặt thiết bị bù không đƣợc tính toán lựa chọn hợp lý mà thuờng đƣợc

chọn sao cho dễ vận hành chứ không xét đến hiệu quả kinh tế của thiết bị, vì vậy chƣa

tận dụng đƣợc hiệu quả làm việc của thiết bị, dẫn đến sự lãng phí.