Bù công suất phản kháng nâng cao chất lượng điện năng lưới điện nông nghiệp

T¹p chÝ KHKT N«ng nghiÖp, TËp 1, sè 2/2003 142 bï c«ng suÊt ph¶n kh¸ng n©ng cao chÊt l−îng ®iÖn n¨ng l−íi ®iÖn n«ng nghiÖp Reactive power compensation to raise electric quality in agricultural distribution network NguyÔn ThÞ Hiªn1 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. IBé m«n §iÖn N«ng nghiÖp, Khoa C¬ ®iÖn 1. §Æt vÊn ®Ò Nghiªn cøu, ®Ò xuÊt ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n bï tèi −u c«ng suÊt ph¶n kh¸ng phï hîp víi l−íi ®iÖn ph©n phèi sao cho võa ®¶m b¶o chÊt l−îng ®iÖn ¸p, võa cã tÝnh kinh tÕ ®ang lµ mét vÊn ®Ò cÇn ®−îc quan t©m bëi v× trong thùc tÕ, viÖc l¾p ®Æt c¸c thiÕt bÞ bï ch−a mang l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ; dung l−îng vµ vÞ trÝ ®Æt thiÕt bÞ bï ®−îc chän ch−a hîp lý nªn kh«ng nh÷ng kh«ng c¶i thiÖn ®−îc chÊt l−îng ®iÖn mµ cßn cã thÓ lµm t¨ng tæn hao, g©y thiÖt h¹i kinh tÕ. ViÖc tÝnh to¸n, lùa chän vÞ trÝ vµ dung l−îng bï trªn c¬ së khoa häc lµ mét bµi to¸n cã ý nghÜa thùc tiÔn vµ cÊp thiÕt ®èi víi ngµnh ®iÖn nãi riªng vµ nÒn kinh tÕ nãi chung. Qua nghiªn cøu, ph©n tÝch c¸c ph−¬ng ph¸p tÝnh bï c«ng suÊt ph¶n kh¸ng (ph−¬ng ph¸p bï theo ®iÖn ¸p, cùc tiÓu hµm chi phÝ tÝnh to¸n, cùc tiÓu tæn thÊt c«ng suÊt t¸c dông, ... ) cña NguyÔn ThÞ Hiªn (2002) cho thÊy: mçi ph−¬ng ph¸p ®Òu cã −u, nh−îc ®iÓm nhÊt ®Þnh vµ thÝch hîp trong nh÷ng ®iÒu kiÖn tÝnh to¸n kh¸c nhau, c¸c m« h×nh ®−îc x©y dùng ch−a mang ý nghÜa tæng qu¸t, chØ ¸p dông víi m¹ng ®iÖn h×nh tia ®¬n gi¶n, ch−a xÐt tíi sù ph©n bè ngÉu nhiªn cña phô t¶i ... M« h×nh bï tèi −u cho phÐp x¸c ®Þnh vÞ trÝ vµ dung l−îng ®Æt bï sao cho ®¹t ®−îc hiÖu qu¶ kinh tÕ tèi ®a mµ vÉn ®¶m b¶o c¸c ®iÒu kiÖn kü thuËt cña m¹ng (®iÖn ¸p, dßng cho phÐp, ...) 2. x©y dùng M« h×nh to¸n häc 2.1. M« h×nh to¸n häc Bµi to¸n bï tèi −u c«ng suÊt ph¶n kh¸ng lµ x¸c ®Þnh c«ng suÊt vµ vÞ trÝ ®Æt c¸c thiÕt bÞ bï nh»m môc tiªu ®¹t hiÖu qu¶ kinh tÕ cùc ®¹i khi tho¶ m^n tÊt c¶ c¸c ®iÒu kiÖn kü thuËt trong chÕ ®é lµm viÖc b×nh th−êng cña m¹ng ®iÖn. ChØ tiªu hiÖu Bï c«ng suÊt ph¶n kh¸ng n©ng cao chÊt l−îng ®iÖn n¨ng 143 qu¶ kinh tÕ lµ c¸c chi phÝ quy ®æi, c¸c yªu cÇu kü thuËt, lµ c¸c h¹n chÕ vÒ ®é lÖch ®iÖn ¸p, kh¶ n¨ng mang t¶i cña c¸c phÇn tö trong m¹ng ®iÖn vµ c«ng suÊt cña c¸c thiÕt bÞ bï. a. Hµm môc tiªu F = C∆.DA - p. )( 0 ∑∑ + bjbj Qkk → max (2.1) Trong ®ã: C∆ - gi¸ 1 kWh tæn thÊt ®iÖn n¨ng, lÊy b»ng gi¸ b¸n ®iÖn trung b×nh, (®/ kWh); DA - ®é gi¶m tæn thÊt ®iÖn n¨ng so víi tr−íc khi ®Æt bï, (kWh); DA phô thuéc vµo cÊu tróc l−íi, ®å thÞ phô t¶i c«ng suÊt ph¶n kh¸ng, cÊu tróc tr¹m bï: sè l−îng, vÞ trÝ, chÕ ®é vËn hµnh tô bï. p - hÖ sè ®−îc x¸c ®Þnh: p = atc + kvh + kkh (2.2) Víi: atc = nT 1 - hÖ sè thu håi vèn ®Çu t− tiªu chuÈn; Tn - thêi gian thu håi vèn ®Çu t− tiªu chuÈn, (n¨m); kvh, kkh - hÖ sè vËn hµnh vµ hÖ sè khÊu hao thiÕt bÞ, th−êng lÊy theo phÇn tr¨m vèn ®Çu t− (bao gåm c¶ x©y l¾p vµ thiÕt bÞ). Víi l−íi trung ¸p: Kvh = 7%, kkh = 3% ÷ 5% (TrÇn Quang Kh¸nh, 2000) koj - thµnh phÇn chi phÝ cè ®Þnh cña tr¹m tô bï j, (®ång /tr¹m); kb - gi¸ ®¬n vÞ c«ng suÊt tô bï, lµ hµm phô thuéc c«ng suÊt bï, lµ hµm phi tuyÕn, rêi r¹c cña Qb, ®Ó ®¬n gi¶n lÊy kb = const; Qbj - c«ng suÊt bï t¹i tr¹m thø j, (kVAr); Theo L^ V¨n ót & cs (1999) cã thÓ biÓu diÔn hµm môc tiªu b»ng ma trËn cÊu tróc [A] : F = C∆τ- - p. )( 0 ∑∑ + bjbj Qkk → max (2.3) b. C¸c ®iÒu kiÖn rµng buéc + §iÒu kiÖn c©n b»ng c«ng suÊt ph¶n kh¸ng nót: Tæng c«ng suÊt ph¶n kh¸ng tíi mét nót bÊt kú trong m¹ng ®iÖn ph¶i c©n b»ng víi tæng c«ng suÊt ph¶n kh¸ng ®i ra tõ nót ®ã Qi = Qtj - Qbj + )( k k k QQ ∆+∑ (2.4) Trong ®ã: Qi - c«ng suÊt ph¶n kh¸ng ®i tíi nót j, víi m¹ng ®iÖn hë i = j; Qtj - phô t¶i ph¶n kh¸ng t¹i nót j, (kVAr); Tæng k lÊy øng víi c¸c nh¸nh nèi víi nót j cã h−íng c«ng suÊt ®i ra khái nót. + §iÒu kiÖn vÒ c«ng suÊt ph¸t cña tô: 0 ≤ Qbj ≤ Qbjmax (2.5) Qbjmax - c«ng suÊt bï tèi ®a t¹i nót j, x¸c ®Þnh theo c«ng suÊt phô t¶i. + §iÒu kiÖn vÒ chÊt l−îng ®iÖn ¸p §iÖn ¸p t¹i c¸c nót trong m¹ng ®iÖn ë bÊt kú chÕ ®é lµm viÖc nµo ®Òu ph¶i n»m trong giíi h¹n cho phÐp: ∆Vcpd% ≤ ∆Vj% ≤ ∆Vcpt% (2.6) hay Umin ≤ Uj ≤ Umax (2.7) Umax, Umin - Giíi h¹n cho phÐp trªn vµ d−íi cña ®iÖn ¸p, (kV); i n i i bibitti R U QAQAQA ∑ = − 1 2 2])][([]][]).([][([2 NguyÔn ThÞ Hiªn 144 + §iÒu kiÖn vÒ dßng ®iÖn (kh¶ n¨ng t¶i cña ®−êng d©y) Sau khi ®Æt bï, dßng ®iÖn ch¹y qua c¸c nh¸nh ph¶i ë trong giíi h¹n cho phÐp, nghÜa lµ: Ii ≤ Icpi (2.8) Icpi - dßng ®iÖn cùc ®¹i cho phÐp ch¹y qua nh¸nh i, gi¸ trÞ nµy ®−îc x¸c ®Þnh theo tiÕt diÖn d©y dÉn cña m¹ng ®iÖn. + C¸c ®iÒu kiÖn liªn quan ®Õn vèn ®Çu t− (thêi gian thu håi vèn) sÏ ®−îc xÐt ®Õn nh− mét ®iÒu kiÖn ®ñ ®Ó quyÕt ®Þnh cã nªn ®Æt bï t¹i mét nót j nµo ®ã hay kh«ng (NguyÔn ThÞ Hiªn, 2002). * NhËn xÐt: Qua sù ph©n tÝch, so s¸nh cña NguyÔn ThÞ Hiªn (2002) vµ ViÖn N¨ng l−îng (2000) cho thÊy ph−¬ng ph¸p bï tèi −u víi hµm môc tiªu (2.1) vµ c¸c rµng buéc (2.4) ÷ (2.7) tá ra hîp lý h¬n c¶, lµ sù kÕt hîp hµi hoµ, chÆt chÏ gi÷a lîi Ých kinh tÕ víi c¸c chØ tiªu kü thuËt, ®¸p øng ®−îc thùc tiÔn cña l−íi ®iÖn ph©n phèi hiÖn nay ë ViÖt Nam. 2. 2. Ph−¬ng ph¸p tÝnh M« h×nh víi hµm môc tiªu (2.3) vµ hÖ c¸c rµng buéc (2.4 ÷ 2.8) lµ m« h×nh quy ho¹ch phi tuyÕn, ®a biÕn víi c¸c biÕn gi¸n ®o¹n v× c«ng suÊt cña c¸c thiÕt bÞ bï (bé tô) thay ®æi rêi r¹c nªn viÖc lùa chän mét ph−¬ng ph¸p gi¶i phï hîp, cã hiÖu qu¶ lµ vÊn ®Ò quan träng vµ cã ý nghÜa. Qua ph©n tÝch, ®¸nh gi¸ mét sè ph−¬ng ph¸p tÝnh (ViÖn n¨ng l−îng, 2000; NguyÔn ThÞ HiÖn, 2002), ph−¬ng ph¸p lÆp nhiÒu b−íc tá ra lµ ph−¬ng ph¸p kh¸ phï hîp ®èi víi bµi to¸n tÝnh to¸n dung l−îng tô bï tèi −u, tuy møc ®é héi tô chËm h¬n so víi c¸c ph−¬ng ph¸p sö dông ®¹o hµm cÊp hai (Lagrange, Gradient ...) nh−ng −u ®iÓm næi bËt cña ph−¬ng ph¸p lµ kh«ng ®ßi hái tÝnh chÝnh quy vµ liªn tôc cña hµm môc tiªu, thuËt to¸n ®¬n gi¶n, dÔ ¸p dông. Tuy nhiªn, khèi l−îng tÝnh to¸n cña ph−¬ng ph¸p lín, ®ßi hái ph¶i ®−îc thùc hiÖn trªn m¸y tÝnh. 2.3. ¸p dông Bµi to¸n ®−îc lËp tr×nh theo ng«n ng÷ Matlab, ¸p dông cho l−íi ®iÖn h×nh 1, kÕt qu¶ tÝnh to¸n cho trong b¶ng 1; Sau khi bï, l−îng ®iÖn n¨ng tiÕt kiÖm hµng n¨m lµ 46114,5 kWh mang l¹i 41,8 triÖu ®ång cho ngµnh ®iÖn; Ph−¬ng ¸n ®ßi hái vèn ®Çu t−: 156,3 triÖu ®ång. 3. nhËn xÐt Vµ kÕt luËn Trong ®iÒu kiÖn cña m¹ng ®iÖn n«ng nghiÖp n−íc ta hiÖn nay, viÖc t×m ra mét ph−¬ng ph¸p tÝnh bï c«ng suÊt ph¶n kh¸ng khoa häc lµ mét bµi to¸n hÕt søc cã ý nghÜa, ph−¬ng ph¸p tÝnh bï tèi −u c«ng suÊt ph¶n kh¸ng dùa trªn chØ tiªu tèi ®a c¸c tiÕt kiÖm mµ chóng t«i x©y dùng ®^ kh¾c phôc ®−îc mét sè nh−îc ®iÓm cña c¸c ph−¬ng ph¸p tÝnh tr−íc ®ã, cô thÓ: Ph−¬ng ph¸p cã thÓ ¸p dông thuËn tiÖn ®èi víi mét m¹ng ®iÖn hë bÊt kú, sè liÖu ®ßi hái kh«ng nhiÒu, dÔ thu thËp. Ph−¬ng ph¸p vµ ch−¬ng tr×nh tÝnh to¸n cho phÐp xem xÐt sù ¶nh h−ëng ®ång thêi cña nhiÒu yÕu tè kinh tÕ - kü thuËt, do ®ã n©ng cao ®−îc ®é chÝnh x¸c cña bµi to¸n. ViÖc x¸c ®Þnh thø tù −u tiªn c¸c nót ®Æt bï vµ gi¶m nhá sè biÕn (nót bï) tuú thuéc vµo kh¶ n¨ng ®©ï t− vµ qu¶n lý vËn hµnh (NguyÔn ThÞ Hiªn, 2002) lµm ®¬n gi¶n rÊt nhiÒu qu¸ tr×nh tÝnh to¸n mµ kh«ng ¶nh h−ëng ®Õn tÝnh tèi −u cña bµi to¸n. Ph−¬ng ph¸p ®Ò xuÊt cã thÓ ¸p dông cã hiÖu qu¶ ®èi víi c¸c l−íi ®iÖn trung ¸p ë khu vùc n«ng nghiÖp vµ còng cã thÓ më réng ph¹m vi øng dông ®èi víi c¸c l−íi ®iÖn ph©n phèi kh¸c. 145 Bï c«ng suÊt ph¶n kh¸ng n©ng cao chÊt l−îng ®iÖn n¨ng A C -7 0 0 ,2 3 4 1 6 1 8 2 0 2 2 1 4 A C - 7 0 3 A C - 7 0 1 ,2 A C - 7 0 1 ,2 A C - 7 0 0 ,3 A C - 7 0 0 ,3 A C -7 0 0 ,5 5 A C - 7 0 0 ,5 5 A C -7 0 0 ,4 A C -7 0 0 ,1 A C - 7 0 0 ,5 A C - 7 0 0 ,6 A C -7 0 0 ,8 A C -7 0 1, 1 A C -7 0 0 ,2 5 A C -7 0 0, 7 5 A C -7 0 0 ,2 5 A C -7 0 1 ,5 5 A C -7 0 1, 1 5 A C -7 0 0, 25 A C -7 0 1 ,1 A C -7 0 1 ,1 4 0 3 8 3 9 A C A C -5 0 0, 1 2 2 1 1 9 0 1 2 5 1 1 1 0 9 8 7 1 7 1 5 1 3 1 2 2 4 2 7 3 4 2 8 3 2 A C -7 0 0, 22 A C -7 0 0 ,3 5 A C -7 0 0 ,3 2 A C -7 0 0 ,2 A C -7 0 2 A C -7 0 0, 7 A C -3 5 0, 0 1 A C -3 5 0 ,4 6 A C -3 5 0, 5 5 A C -3 5 0 ,2 A C - 7 0 0 ,7 2 A C -7 0 0, 3 A C -7 0 1, 3 A C -7 0 0 ,8 3 3 3 7 3 6 3 5 2 3 2 9 2 5 2 6 3 0 3 1 H ×n h 1. S ¬ ® å m ¹ n g ® iÖ n t Ýn h t o ¸ n b ï t è i − u c « n g su Ê t p h ¶ n k h ¸ n g NguyÔn ThÞ Hiªn 146 Tµi liÖu tham kh¶o NguyÔn ThÞ Hiªn (2002), Bï c«ng suÊt ph¶n kh¸ng n©ng cao chÊt l−îng ®iÖn n¨ng l−íi ®iÖn ph©n phèi, LuËn v¨n Th¹c sü Khoa häc kü thuËt, Hµ Néi. TrÇn Quang Kh¸nh (2000), Quy ho¹ch ®iÖn n«ng th«n, Gi¸o tr×nh §¹i häc N«ng nghiÖp I, Hµ Néi. L^ V¨n ót, T¨ng Thiªn T−, TrÇn Vinh TÞnh (1999), “§¸nh gi¸ hiÖu qu¶ l¾p ®Æt thiÕt bÞ bï trong m¹ng cung cÊp ®iÖn”, T¹p chÝ Khoa häc vµ C«ng nghÖ c¸c tr−êng §¹i häc, (page 22). ViÖn N¨ng l−îng (2000), “Nghiªn cøu thiÕt lËp quy tr×nh bï c«ng suÊt ph¶n kh¸ng nh»m gi¶m tæn thÊt ®iÖn n¨ng trong l−íi ph©n phèi”, §Ò tµi nghiªn cøu khoa häc. B¶ng 1. KÕt qu¶ tÝnh to¸n bï tèi −u c«ng suÊt ph¶n kh¸ng l−íi ®iÖn h×nh 1 Nót C«ng suÊt Pmax(kW) cosϕ ∆Utr−íc (%) ∆Usau (%) Qbï (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