1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ QUANG TUÂN PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ CỦA LƯỚI PHÂN PHỐI VÀ GIẢI BÀI TOÁN BÙ TỐI ƯU Chuyên ngành :KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số :60520202 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN – NĂM 2014 2 Công trình được hoàn thành tại:TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Người HDKH: GS.TS LÃ VĂN ÚT Phản biện 1: PGS.TS NGUYỄN HỮU CÔNG Phản biện 2: TS TRẦN XUÂN MINH Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại:TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Vào hồi 15 giờ 30 ngày 18 tháng 08 năm 2014 Có thể tìm đọc luận văn tại thư viện:Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên, Thư viện trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên 3 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Thực tế Lưới điện phân phối ở nước có sự phân bố rộng khắp các khu vực lãnh thổ do vậy lưới điện phân phối chiếm vị trí quan trọng và nó quyết định tới chất lượng điện năng tại nơi tiêu thụ.Với sự phát triển nhanh chóng phức tạp của lưới điện phân phối thì yêu cầu về chất lượng điện năng và hiệu quả kinh tế của lưới điện ngày càng cao. Trong khi đó một trong những biện pháp hiệu quả để giảm tổn thất điện năng,vận hành kinh tế và cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật của lưới điện phân phối là đặt thiết bị bù. Mặt khác hiện nay xuất hiện nhiều phương tiện bù khác nhau có chất lượng cao ví dụ như bù tụ điện có thể điều chỉnh tự động dung lượng, hoặc sử dụng thiết bị SVC_là thiết bị bù ngang tĩnh được lắp đặt ở các nút để nhanh chóng điều chỉnh điện áp, và cũng có tác dụng nâng cao ổn định. Do vậy áp dụng thiết bị bù là cấp thiết và có ý nghĩa kinh tế quan trọng. Cũng vì lý do này mà đề tài: “ Phân tích ,tính toán chế độ của lưới điện phân phối và giải bài toàn bù tối ưu” được chọn xuất phát từ ý tưởng nêu trên. 2. Mục tiêu nghiên cứu: Tổng quan các phương pháp tính toán phân tích tổn thất, các phương pháp hiệu quả bù kinh tế và lựa chọn phương pháp hiệu quả và phù hợp nhất để ứng dụng vào thực tế cho một mạng phân phối. Luận văn sẽ áp dụng cụ thể vào một số nhánh của lưới điện thành phố Thái Nguyên để đánh giá hiệu quả của phương pháp bù. 3. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp giữa lý thuyết với tính toán và kiểm tra trên sơ đồ cụ thể. Về lý thuyết, nghiên cứu các tài liệu tham khảo, đặc biệt là các tài liệu chuyên ngành về 4 thiết bị bù, phương pháp bù, nâng cao chất lượng điện năng. Sử dụng phần mềm để tính toán bài toán bù. Đánh giá hiệu quả bù dùng phương pháp so sánh tổn thất trước và sau bù, so sánh các phương pháp khác nhau để lựa chọn được phương pháp phù hợp và hiệu quả nhất để áp dụng vào lưới điện cụ thể. Các phương pháp chủ yếu hiện nay để tính toán phương pháp bù: -Phương pháp đặt bù theo chi phí tính toán cực tiểu Z min . -Áp dụng thuật toán quy hoạch toán học để cực đại hóa lợi nhuận trong khoảng thời gian tính toàn định trước. -Phương pháp cực tiểu hóa thời gian thu hồi vốn của thiết bị bù. Dự kiến sẽ sử dụng phương pháp cực tiểu hóa thời gian thu hồi vốn của thiết bị bù. Phương pháp này có lợi thế là rất dễ đánh giá hiệu quả của thiết bị bù. Nếu thời gian thu hồi vốn nhỏ hơn thời gian định trước thì nên đặt thiết bị bù. Nếu thời gian thu hồi vốn lớn hơn thời gian định trước thì không nên đặt thiết bị bù. Chỉ đặt thiết bị bù khi thời gian thu hồi vốn nhỏ hơn thời gian quy định. 4. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài 4.1. Ý nghĩa khoa học Trong quá trình truyền tải điện năng đi xa từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ, lượng tổn thất điện năng trong quá trình này là rất lớn, các khảo sát, báo cáo gần đây cho thấy tổn thất điện năng trong lưới phân phối chiếm tỉ lệ cao (5-7)%. Chất lượng điện áp trong lưới phân phối tại một số nút không đáp ứng được tiêu chuẩn. Trong khi đó nước ta đang trong giai đoạn hội nhập, mở cửa, thực hiện công nghiệp hóa, hiện đại hóa, nhu cấu sử dụng điện tăng nhanh, tình hình thiếu điện ngày càng trầm trọng. Do vậy việc thực hiện giảm tổn thất điện năng lưới điện phân phối góp phần năng cao chất lượng điện năng, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn góp phần tích cực đưa nền kinh tế đất nước phát triển bền vững. 5 4.2. Tính thực tiễn của đề tài. Đề tài nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu thực tế của lưới điện phân phối Sông Công - Thái Nguyên do vậy kết quả mang tính chất thực tiễn có thể áp dụng rộng rãi. Các nội dung chính: Chương 1: Tổng quan về tổn thất điện năng và phương pháp bù kinh tế trong lưới điện phân phối. Chương 2: Phương pháp tính toán lựa chọn vị trí và dung lượng bù tối ưu. Chương 3: Nghiên cứu áp dụng bù kinh tế cho lưới điện phân phối chi nhánh điện Sông Công - Thái Nguyên Kết luận chung Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo GS.TS LÃ VĂN ÚT – người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này. Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học. 6 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG VÀ PHƯƠNG PHÁP BÙ KINH TẾ TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 1.1. Tổn thất điện năng trong hệ thống điện và vấn đề giảm tổn thất khi vận hành 1.1.1. Các nguyên nhân gây ra tổn thất trong HTCCĐ Tổn thất điện năng trong hệ thống điện luôn luôn tồn tại do nhiều nguyên nhân khác nhau: mất mát năng lượng do hiệu ứng Joule, tổn thất từ trễ và dòng Foucault trong lõi từ của máy điện, tổn thất vầng quang trên các đường dây truyền tải điện, tổn thất do sai số trong hệ thống đo đếm, tổn thất do gian lận sử dụng v.v… Những nguyên nhân này có thể được chia thành 2 nhóm: tổn thất kỹ thuật và tổn thất phi kỹ thuật. a.Tổn thất kỹ thuật - Tổn thất trên điện trở của mọi phần tử có dòng điện chạy qua - Các tổn thất không tải do phần tử mang điện áp - Tổn thất vầng quang - Tổn thất ở lưới truyền tải: - Tổn thất ở lưới phân phối: b. Tổn thất phi kỹ thuật - Tổn thất do sai số của thiết bị đo đếm - Tổn thất do lỗi trong việc tính toán hóa đơn điện năng tiêu thụ - Tổn thất do gian lận, ăn trộm điện của người sử dụng 1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tổn thất và khả năng giảm thiểu tổn thất a. Điện áp làm việc của trang thiết bị Làm việc với điện áp càng cao, dòng điện càng bé, vì thế chọn cấp điện áp khi thiết kế (đường dây, máy biến áp) và điều chỉnh điện áp lúc vận hành đều có ảnh hưởng mạnh đến trị số tổn thất công suất và điện năng. - Nâng cấp điện áp định mức của lưới điện. 7 - Điều chỉnh điện áp tại máy biến áp b. Truyền tải công suất phản kháng Cân bằng công suất phản kháng nút là điều kiện cần để đảm bảo chất lượng điện năng. Mất cân bằng công suất phản kháng điện áp nút sẽ thay đổi. Trong HTĐ luôn luôn tồn tại quá trình truyền tải công suất phản kháng (kèm theo với công suất tác dụng), dòng điện tăng lên, làm tăng cao trị số tổn thất công suất tác dụng - Ảnh hưởng của các thiết bị bù - Điện dung tự nhiên của đường dây 2 BUQ = 1.1.3. Vấn đề áp dụng các biện pháp giảm thiểu tổn thất trong điều kiện vận hành - Lắp đặt thiết bị bù và điều khiển thiết bị bù (nếu có điều kiện); - Trang bị các bộ điều áp dưới tải và thiết bị tự động điều áp dưới tải; - Tạo các mạch vòng cung cấp dạng lưới kín vận hành ở và điều khiển điểm cắt Biện pháp phổ biến và hiệu quả cao phải kể đến là bù kinh tế. Thực chất đó là các lắp đặt thiết bị bù tối ưu theo chỉ tiêu theo hiệu quả kinh tế. Khi lắp đặt thiết bị bù vào những vị trí hợp lí, chi phí cho tổn thất điện năng hàng năm giảm được nhiều trong khi vốn đầu tư không lớn. Nếu 2 đến 3 năm vốn đầu tư đã được thu hồi thì việc đặt thiết bị bù được coi là có hiệu quả kinh tế. Trong trường hợp này việc lựa chọn vị trí và dung lượng bù tỏ ra quan trọng. Luận văn đi sâu tìm hiểu về biện áp bù tối ưu công suất phản kháng trong LĐPP. Đánh giá hiệu quả bù trên lưới điện cụ thể dựa trên phương pháp tính toán phù hợp nhất. 8 1.2. Hiệu quả giảm tổn thất bằng biện pháp bù CSPK 1.2.1. Khái niệm về CSPK 1.2.2 Hệ số công suất và quan hệ với bù CSPK 1.3 Các phương tiện bù CSPK 1.3.1. Máy bù đồng bộ Xét đường dây trên hình sau: 1.3.2. Tụ bù tĩnh cố định 1.3.3. Tụ bù tĩnh điều chỉnh theo chế độ làm việc 1.4 Tổng quan về mô hình và phương pháp bù kinh tế trong LĐPP Trước hết cần phân biệt bài toán bù CSPK trong lưới điện truyền tải (LĐTT) và LĐPP. Với LĐTT bài toán bù thường được đặt ra hơn đó là bù nhằm đảm bảo điện áp nút, bù nhằm nâng cao giới hạn ổn định, còn được gọi là bù kĩ thuật. Bài toán bù kinh tế ít được đặt ra trong LĐTT hoặc chỉ được đặt ra như một khả năng kết hợp với bù kỹ thuật. Vấn đề là ở chỗ tỉ lệ tổn thất trong LĐTT tương đối thấp (2-4)% lại có rất nhiều nguồn CSPK (máy phát, các đường dây cao áp với CSPK tự nhiên). Ngược lại trong LĐPP tỉ lệ tổn thất khá cao (>5%), có khi tới hàng chục phần trăm như một số khu vực lưới điện Việt Nam. Lưới hình tia xa nguồn, nhận CSPK từ LĐTT qua trạm trung gian thường rất hạn chế. Công suất điện dung tự nhiên do các đường dây trung áp sinh ra không đáng kể. Trong trường hợp này bù Hình 1.5.Đường dây truyền tải có đặt máy bù đồng bộ X R • 2 S • 2 U MB b Q • 1 U 1 2 ~ 9 CSPK làm giảm đáng kể tổn thất do không phải truyền tải CSPK qua lưới. Vấn đề là vị trí đặt bù có hiệu quả rất khác nhau nên bài toán tìm vị trí và dung lượng bù tối ưu có ý nghĩa lớn. Các bài toán được đặt ra theo một số dạng khác nhau. 1.4.1. Bài toán bù kinh tế áp dụng thuật toán quy hoạch toán học cực đại hóa lợi nhuận trong khoảng thời gian tính toán định trước a. Thành phần lợi ích Z 1 thu được do giảm tổn thất điện năng hàng năm sau khi đặt thiết bị bù b. Thành phần chi phí do đầu tư lắp đặt thiết bị bù Z 2 c. Thành phần chi phí cho tổn thất trong bản thân thiết bị bù Z 3 1.4.2 Bài toán bù kinh tế với phương pháp đặt bù theo chi phí tính toán cực tiểu Z min . 1.4.3. Bài toán bù kinh tế với hàm mục tiêu là cực đại hóa lợi nhuận hàng năm do đặt thiết bị bù 1.5. Kết luận chương 1 1- Công suất phản kháng luôn tồn tại trang HTĐ, có ảnh hưởng mạnh đến tổn thất điện năng và tính kinh tế vận hành các hệ thố ng cung cấp điện. 2- Để giảm tổn thất điện năng và nâng cao hiệu quả kinh tế khi vận hành LĐPP có thể áp dụng các thiết bị bù để giảm CSPK truyền tải. Tuy nhiên, hiệu quả chỉ đạt được khi giải bải toán lựa chọn tối ưu vị trí và dung lượng bù. 10 Chương 2 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN LỰA CHỌN VỊ TRÍ VÀ DUNG LƯỢNG BÙ TỐI ƯU 2.1. Đặt vấn đề Như đã tổng quan trong chương 1, với LĐPP có thể áp dụng các phương pháp khác nhau để xác định vị trí và dung lượng bù tối ưu tùy theo cách mô tả bài toán. Các dạng bài toán thường được quan tâm như: bài toán tìm dung lượng bù với mục tiêu là cực đại hàm lợi ích (NPV), cực tiểu hàm chi phí tính toán, Thực chất là đưa bài toán về dạng quy hoạch toán học nhằm giải theo các thuật toán quen biết. Tuy nhiên, các mô hình này về mặt hình thức có vẻ chặt chẽ và chính xác nhưng khi ứng dụng lại tỏ ra kém hiệu quả. Có thể kể ra một số hạn chế: - Không xét chính xác được phân bố công suất tác dụng và phản kháng trên các phần tử của lưới điện, đặc biệt khi phụ tải các nút thay đổi không đồng nhất theo biểu đồ. Để thiết lập biểu thức hàm chi phí (phụ thuộc công suất bù các nút) các mô hình phải áp dụng hàng loạt các giả thiết đơn giản hóa. - Khi sơ đồ lưới điện và phụ tải tăng trưởng theo thời gian, mô hình bài toán bị thay đổi cơ bản, rất khó áp dụng để phân tích hiệu quả bù trong những khoảng thời gian dài. - Rất khó đưa thêm các điều kiện phụ mang tính chuyên gia vào mô hình, ví dụ xử lí lựa chọn vị trí bù khi có nhiều nút gần nhau có cùng hiệu quả, các hạn chế bởi điều kiện kỹ thuật Thực ra, bài toán bù kinh tế chứa đựng nhiều yếu tố bất định cũng như đòi hỏi tính chuyên gia của người quản lí. Chính vì vậy một thuật toán mềm dẻo mang tính tư vấn hơn là quyết định sẽ cho phép ứng dụng hiệu quả hơn trong thực tế. Luận văn đi sâu nghiên cứu giải quyết bài toán theo hướng này. Phương pháp dựa trên cơ sở tính toán một chỉ tiêu gắn liền với hiệu quả bù đặt tại các nút khác nhau, gọi là suất giảm chi phí tổn thất khi đặt thêm dung lượng bù vào nút. [...]... Dựa vào dung lượng bù kinh tế nhận được, chọn lại các nút tính toán (loại bỏ các nút có dung lượng nhỏ, giảm bớt các nút bù cạnh nhau có dung lượng bù không lớn) 4) Tính toán lại cho đến phương án hợp lý 2.3.4 Ưu điểm của thuật toán đề xuất 1) Thuật toán cho phép xét chính xác chế độ thực của lưới bằng cách kết hợp với một chương trình tính toán CĐXL 2) Phép tính khá đơn giản theo một số biểu thức giải. .. dụng các giải pháp gần đúng 3- Dựa trên khái niệm suất giảm chi phí tổn thất tính cho dung lượng bù đặt thêm tại các nút có thể xây dựng các thuật toán lặp đơn giản (phải kết hợp với một chương trình tính chế độ xác lập) để tìm được vị trí và dung lượng bù tối ưu 4- Thuật toán có thể áp dụng cho LĐPP sơ đồ phức tạp bất kì phù hợp với các lưới điện phân phối thực tế Luận văn áp dụng thuật toán này xác... áp và các trạm biến áp a Hiện trạng tải của các máy biến áp phân phối b Trạm biến áp 3.4 Tình hình sử dụng điện hiện tại 18 3.5 Tính toán chế độ xác lập, đánh giá tổn thất và nhu cầu bù kinh tế 3.5.1 Tính toán chế độ xác lập 3.5.2 Kết quả tính toán chế độ xác lập ban đầu (trạng thái hiện tại) a Cập nhật số liệu LĐPP vào chương trình tính toán Cập nhật số liệu của lộ 373 E6.3 cho chương trình conus... điều kiện tối ưu (2.9) và (2.10) 2.3.3 Xác định dung lượng bù tối ưu cho một số ít nút đã chọn Xét đến các đặc điểm này bài toán bù kinh tế LĐPP cần thực hiện theo các bước sau: 1) Xác định hiệu quả bù cho tất cả các nút, thực chất là tính biểu thức (2.4) ứng với dung lượng đã có của thiết bị bù Chọn N nút có hiệu quả bù cao nhất 2) Thực hiện tính toán xác định dung lượng bù kinh tế tương tự bài toán trên... hồi vốn bằng hoặc xấp xỉ với thời gian định mức 2.5 Kết luận chương 2 1- Để việc lắp đặt thiết bị bù đem lại hiệu quả kinh tế cao cần xây dựng mô hình và thuật toán lựa chọn vị trí và dung lượng bù tối ưu Tuy nhiên, đây là bài toán khá phức tạp bởi lời giải phụ thuộc rất nhiều yếu tố 2- Các mô hình giải bài toán bù tối ưu xây dựng theo quy hoạch toán học có ý nghĩa lí thuyết chặt chẽ, tuy nhiên rất khó... Xác định dung lượng bù tối ưu cho các nút của LĐPP 3.6.1 Kết quả tính sơ bộ cho mọi nút có khả năng đặt bù Trước hết ta xét bài toán lựa chọn dung lượng bù tối ưu cho mọi nút có thời gian thu hồi vốn ngắn dưới 2 năm như bảng trên Đây là phương áp bù cao với phạm vi đặt bù không hạn chế (phân bố rải ra nhiều nút) 25 Hình 3.6 Kết quả bù tối ưu phương án cao Nhận xét: - Hiệu quả bù nhận được khá cao,... phục vụ tính toán theo yêu cầu Nhược điểm: Thiếu sự kết hợp với các mô dun tính toán ngắn mạch và ổn định động Để giải các bài toán này cần sử dụng chương trình khác 2.4.2 Phần mềm PSS/E ( Power Sytem Simulato for Engineering) 2.4.3 Phần mềm PSS/ADEPT 2.4.4 Phần mềm POWER WORLD Nhận xét: Việc tính toán vị trí bù và dung lượng bù tối ưu nhất rất phực tạp, để tài đã đưa ra môt số phương pháp tính toán, ... giá lại tổn thất và tính toán nhu cầu cần bù của lưới 3.5.1 Tính toán chế độ xác lập b Số liệu nhánh: Việc thay đổi thông số của phụ tải,nhưng thông số của đường dây không thay đổi nên bảng số liệu nhánh giống như bảng 3.9 27 c Số liệu Máy Biến Áp: Việc thay đổi thông số của phụ tải,nhưng thông số của MBA không thay đổi nên bảng số liệu MBA như bảng 3.10 3.5.2 Kết quả tính toán chế độ xác lập ban đầu... 3.11 Các nút có hiệu quả bù cao trong LĐPP(tải tăng 10%) 29 3.8 Xác định dung lượng bù tối ưu cho các nút của LĐPP 3.8.1 Kết quả tính sơ bộ cho mọi nút có khả năng đặt bù 3.8.2 Kết quả tính toán với số nút bù đã được giảm bớt Giảm bớt số nút theo lựa chọn trong mục trên ta tính lại dung lượng bù tối ưu Kết quả nhận được như bảng 3.19 Hình 3.13 Kết quả bù tối ưu phương án hạn chế số nút(tải tăng 10%)... điện, 4,GS.TS.Lã Văn Út,Trần Vinh Tịnh,Ngô Duy Hưng.Xác định vị trí và dung lượng bù tối ưu công suất phản kháng trong mạng điện phân phối Tạp chí khoa học và công nghệ.1996 5, GS.TS Lã Văn Út .Tính toán phân tích các chế độ của hệ thống điện Bài giảng sau đại học( ĐHBKHN,ĐHCN Thái Nguyên,ĐH Mỏ Địa Chất) 6,GS.TS Lã Văn Út,Tăng Thiên Tư,Trần Vinh Tịnh,Đánh giá hiệu quả lắp đặt thiết bị bù trong mạng cung