Báo cáo khoa học: Bù công suất phản kháng nâng cao chất lượng điện năng l-ới điện nông nghiệp Tạp chí KHKT Nông nghiệp, Tập 1, số 2/2003 142 bù công suất phản kháng nâng cao chất lợng điện năng lới điện nông nghiệp Reactive power compensation to raise electric quality in agricultural distribution network Nguyễn Thị Hiên 1 summary Calculating and choosing the place and compensation capacity based on scientific installation is a practical and imperative problem in distributing and conducting electricity. This paper presents a method to determine optimal compensation places and capacity of reactive power in distribution network. Nonlinear programming model was applied (optimum the benefits every year), and the optimal solution was received by the iterative procedure. The problem was programmed by Matlab algrothim. Keywords: Compensation, reactive, optimum. I Bộ môn Điện Nông nghiệp, Khoa Cơ điện 1. Đặt vấn đề Nghiên cứu, đề xuất phơng pháp tính toán bù tối u công suất phản kháng phù hợp với lới điện phân phối sao cho vừa đảm bảo chất lợng điện áp, vừa có tính kinh tế đang là một vấn đề cần đợc quan tâm bởi vì trong thực tế, việc lắp đặt các thiết bị bù cha mang lại hiệu quả kinh tế; dung lợng và vị trí đặt thiết bị bù đợc chọn cha hợp lý nên không những không cải thiện đợc chất lợng điện mà còn có thể làm tăng tổn hao, gây thiệt hại kinh tế. Việc tính toán, lựa chọn vị trí và dung lợng bù trên cơ sở khoa học là một bài toán có ý nghĩa thực tiễn và cấp thiết đối với ngành điện nói riêng và nền kinh tế nói chung. Qua nghiên cứu, phân tích các phơng pháp tính bù công suất phản kháng (phơng pháp bù theo điện áp, cực tiểu hàm chi phí tính toán, cực tiểu tổn thất công suất tác dụng, ) của Nguyễn Thị Hiên (2002) cho thấy: mỗi phơng pháp đều có u, nhợc điểm nhất định và thích hợp trong những điều kiện tính toán khác nhau, các mô hình đợc xây dựng cha mang ý nghĩa tổng quát, chỉ áp dụng với mạng điện hình tia đơn giản, cha xét tới sự phân bố ngẫu nhiên của phụ tải Mô hình bù tối u cho phép xác định vị trí và dung lợng đặt bù sao cho đạt đợc hiệu quả kinh tế tối đa mà vẫn đảm bảo các điều kiện kỹ thuật của mạng (điện áp, dòng cho phép, ) 2. xây dựng Mô hình toán học 2.1. Mô hình toán học Bài toán bù tối u công suất phản kháng là xác định công suất và vị trí đặt các thiết bị bù nhằm mục tiêu đạt hiệu quả kinh tế cực đại khi thoả mn tất cả các điều kiện kỹ thuật trong chế độ làm việc bình thờng của mạng điện. Chỉ tiêu hiệu Bù công suất phản kháng nâng cao chất lợng điện năng 143 quả kinh tế là các chi phí quy đổi, các yêu cầu kỹ thuật, là các hạn chế về độ lệch điện áp, khả năng mang tải của các phần tử trong mạng điện và công suất của các thiết bị bù. a. Hàm mục tiêu F = C .DA - p. )( 0 + bjbj Qkk max (2.1) Trong đó: C - giá 1 kWh tổn thất điện năng, lấy bằng giá bán điện trung bình, (đ/ kWh); DA - độ giảm tổn thất điện năng so với trớc khi đặt bù, (kWh); DA phụ thuộc vào cấu trúc lới, đồ thị phụ tải công suất phản kháng, cấu trúc trạm bù: số lợng, vị trí, chế độ vận hành tụ bù. p - hệ số đợc xác định: p = a tc + k vh + k kh (2.2) Với: a tc = n T 1 - hệ số thu hồi vốn đầu t tiêu chuẩn; T n - thời gian thu hồi vốn đầu t tiêu chuẩn, (năm); k vh , k kh - hệ số vận hành và hệ số khấu hao thiết bị, thờng lấy theo phần trăm vốn đầu t (bao gồm cả xây lắp và thiết bị). Với lới trung áp: K vh = 7%, k kh = 3% ữ 5% (Trần Quang Khánh, 2000) k oj - thành phần chi phí cố định của trạm tụ bù j, (đồng /trạm); k b - giá đơn vị công suất tụ bù, là hàm phụ thuộc công suất bù, là hàm phi tuyến, rời rạc của Q b , để đơn giản lấy k b = const; Q bj - công suất bù tại trạm thứ j, (kVAr); Theo L Văn út & cs (1999) có thể biểu diễn hàm mục tiêu bằng ma trận cấu trúc [A] : F = C - - p. )( 0 + bjbj Qkk max (2.3) b. Các điều kiện ràng buộc + Điều kiện cân bằng công suất phản kháng nút: Tổng công suất phản kháng tới một nút bất kỳ trong mạng điện phải cân bằng với tổng công suất phản kháng đi ra từ nút đó Q i = Q tj - Q bj + )( k k k QQ + (2.4) Trong đó: Q i - công suất phản kháng đi tới nút j, với mạng điện hở i = j; Q tj - phụ tải phản kháng tại nút j, (kVAr); Tổng k lấy ứng với các nhánh nối với nút j có hớng công suất đi ra khỏi nút. + Điều kiện về công suất phát của tụ: 0 Q bj Q bjmax (2.5) Q bjmax - công suất bù tối đa tại nút j, xác định theo công suất phụ tải. + Điều kiện về chất lợng điện áp Điện áp tại các nút trong mạng điện ở bất kỳ chế độ làm việc nào đều phải nằm trong giới hạn cho phép: V cpd % V j % V cpt % (2.6) hay U min U j U max (2.7) U max , U min - Giới hạn cho phép trên và dới của điện áp, (kV); i n i i bibitti R U QAQAQA = 1 2 2 ])][([]][]).([][([2 Nguyễn Thị Hiên 144 + Điều kiện về dòng điện (khả năng tải của đờng dây) Sau khi đặt bù, dòng điện chạy qua các nhánh phải ở trong giới hạn cho phép, nghĩa là: I i I cpi (2.8) I cpi - dòng điện cực đại cho phép chạy qua nhánh i, giá trị này đợc xác định theo tiết diện dây dẫn của mạng điện. + Các điều kiện liên quan đến vốn đầu t (thời gian thu hồi vốn) sẽ đợc xét đến nh một điều kiện đủ để quyết định có nên đặt bù tại một nút j nào đó hay không (Nguyễn Thị Hiên, 2002). * Nhận xét: Qua sự phân tích, so sánh của Nguyễn Thị Hiên (2002) và Viện Năng lợng (2000) cho thấy phơng pháp bù tối u với hàm mục tiêu (2.1) và các ràng buộc (2.4) ữ (2.7) tỏ ra hợp lý hơn cả, là sự kết hợp hài hoà, chặt chẽ giữa lợi ích kinh tế với các chỉ tiêu kỹ thuật, đáp ứng đợc thực tiễn của lới điện phân phối hiện nay ở Việt Nam. 2. 2. Phơng pháp tính Mô hình với hàm mục tiêu (2.3) và hệ các ràng buộc (2.4 ữ 2.8) là mô hình quy hoạch phi tuyến, đa biến với các biến gián đoạn vì công suất của các thiết bị bù (bộ tụ) thay đổi rời rạc nên việc lựa chọn một phơng pháp giải phù hợp, có hiệu quả là vấn đề quan trọng và có ý nghĩa. Qua phân tích, đánh giá một số phơng pháp tính (Viện năng lợng, 2000; Nguyễn Thị Hiện, 2002), phơng pháp lặp nhiều bớc tỏ ra là phơng pháp khá phù hợp đối với bài toán tính toán dung lợng tụ bù tối u, tuy mức độ hội tụ chậm hơn so với các phơng pháp sử dụng đạo hàm cấp hai (Lagrange, Gradient ) nhng u điểm nổi bật của phơng pháp là không đòi hỏi tính chính quy và liên tục của hàm mục tiêu, thuật toán đơn giản, dễ áp dụng. Tuy nhiên, khối lợng tính toán của phơng pháp lớn, đòi hỏi phải đợc thực hiện trên máy tính. 2.3. áp dụng Bài toán đợc lập trình theo ngôn ngữ Matlab, áp dụng cho lới điện hình 1, kết quả tính toán cho trong bảng 1; Sau khi bù, lợng điện năng tiết kiệm hàng năm là 46114,5 kWh mang lại 41,8 triệu đồng cho ngành điện; Phơng án đòi hỏi vốn đầu t: 156,3 triệu đồng. 3. nhận xét Và kết luận Trong điều kiện của mạng điện nông nghiệp nớc ta hiện nay, việc tìm ra một phơng pháp tính bù công suất phản kháng khoa học là một bài toán hết sức có ý nghĩa, phơng pháp tính bù tối u công suất phản kháng dựa trên chỉ tiêu tối đa các tiết kiệm mà chúng tôi xây dựng đ khắc phục đợc một số nhợc điểm của các phơng pháp tính trớc đó, cụ thể: Phơng pháp có thể áp dụng thuận tiện đối với một mạng điện hở bất kỳ, số liệu đòi hỏi không nhiều, dễ thu thập. Phơng pháp và chơng trình tính toán cho phép xem xét sự ảnh hởng đồng thời của nhiều yếu tố kinh tế - kỹ thuật, do đó nâng cao đợc độ chính xác của bài toán. Việc xác định thứ tự u tiên các nút đặt bù và giảm nhỏ số biến (nút bù) tuỳ thuộc vào khả năng đâù t và quản lý vận hành (Nguyễn Thị Hiên, 2002) làm đơn giản rất nhiều quá trình tính toán mà không ảnh hởng đến tính tối u của bài toán. Phơng pháp đề xuất có thể áp dụng có hiệu quả đối với các lới điện trung áp ở khu vực nông nghiệp và cũng có thể mở rộng phạm vi ứng dụng đối với các lới điện phân phối khác. 145 Bù công suất phản kháng nâng cao chất lợng điện năng AC-70 0,2 3 4 16 18 20 22 14 AC -70 3 AC- 70 1,2 AC -70 1,2 AC- 70 0,3 AC -70 0,3 AC-70 0,55 AC - 70 0,55 AC-70 0,4 AC-70 0,1 AC- 70 0,5 AC- 70 0,6 AC-70 0,8 AC-70 1,1 AC-70 0,25 AC-70 0,75 AC-70 0,25 AC-70 1,55 AC - 70 1,15 AC-70 0,25 AC-70 1,1 AC - 70 1,1 40 38 39 AC AC-50 0,12 21 19 0 1 2 5 11 10 9 8 7 17 15 13 12 24 27 34 28 32 AC-70 0,22 AC - 70 0,35 AC-70 0,32 AC-70 0,2 AC-70 2 AC-70 0,7 AC-35 0,01 AC-35 0,46 AC-35 0,55 AC-35 0,2 AC - 70 0,72 AC - 70 0,3 AC - 70 1,3 AC-70 0,8 33 37 36 35 23 29 25 26 30 31 Hình 1 . Sơ đồ mạng điện tính toán bù tối u công suất phản kháng Nguyễn Thị Hiên 146 Tài liệu tham khảo Nguyễn Thị Hiên (2002), Bù công suất phản kháng nâng cao chất lợng điện năng lới điện phân phối, Luận văn Thạc sỹ Khoa học kỹ thuật, Hà Nội. Trần Quang Khánh (2000), Quy hoạch điện nông thôn, Giáo trình Đại học Nông nghiệp I, Hà Nội. L Văn út, Tăng Thiên T, Trần Vinh Tịnh (1999), Đánh giá hiệu quả lắp đặt thiết bị bù trong mạng cung cấp điện, Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trờng Đại học, (page 22). Viện Năng lợng (2000), Nghiên cứu thiết lập quy trình bù công suất phản kháng nhằm giảm tổn thất điện năng trong lới phân phối, Đề tài nghiên cứu khoa học. Bảng 1 . Kết quả tính toán bù tối u công suất phản kháng lới điện hình 1 Nút Công suất P max (kW) cos U trớc (%) U sau (%) Q bù (kVAr) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 0 0 154 85 0 156 80 188 0 153 70 148 0 358 296 115 0 80 0 126 0 264 0 292 0 0 126 144 0 225 295 164 70 154 125 153 144 200 135 526 0 0 0,85 0,80 0 0,80 0,75 0,80 0 0,85 0,80 0,78 0 0,82 0,80 0,70 0 0,85 0 0,70 0 0,85 0 0,80 0 0 0,80 0,80 0 0,70 0,80 0,85 0,70 0,85 0,85 0,80 0,80 0,80 0,80 0,70 -2,44 -2,69 -2,73 -2,91 -3,75 -3,76 -4,22 -4,36 -4,48 -4,51 -4,55 -4,91 -5,39 -5,58 5,55 -3,12 -3,23 -3,25 -3,68 -3,72 -4,21 -4,21 -4,95 -5,07 -5,23 -5,49 -5,51 -5,51 -5,37 -5,87 -5,95 -6,03 -6,06 -5,38 -5,52 -5,63 -5,65 -1,37 -1,41 -1,45 -1,88 -2,13 -2,17 -2,35 -3,19 -3,21 -3,66 -3,80 -3,93 -3,95 -3,99 -4,35 -4,83 -5,00 -4,99 -2,30 -2,37 -2,39 -2,63 -2,67 -2,92 -2,92 -3,29 -3,40 -3,40 -3,66 -3,68 -3,68 -3,43 -3,48 -3,49 -3,51 -3,51 -3,44 -3,52 -3,57 3,58 1,37 1,41 1,45 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 260 260 120 80 0 0 130 130 0 0 0 . Báo cáo khoa học: Bù công suất phản kháng nâng cao chất lượng điện năng l-ới điện nông nghiệp Tạp chí KHKT Nông nghiệp, Tập 1, số 2/2003 142 bù công suất phản kháng nâng cao chất. đồ mạng điện tính toán bù tối u công suất phản kháng Nguyễn Thị Hiên 146 Tài liệu tham khảo Nguyễn Thị Hiên (2002), Bù công suất phản kháng nâng cao chất lợng điện năng lới điện phân. các lới điện trung áp ở khu vực nông nghiệp và cũng có thể mở rộng phạm vi ứng dụng đối với các lới điện phân phối khác. 145 Bù công suất phản kháng nâng cao chất lợng điện năng