Đề tài Ứng dụng lý thuyết tập mờ giải quyết bài toán tối ưu hóa bù công suất phản kháng trong lưới phân phối

Lời cảm ơn Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Phan Đăng Khải- người thầy đã hướng dẫn tôi tận tình, chu đáo và động viên, khích lệ tôi trong quá trình làm làm luận văn. Được làm việc với thầy là một vinh dự cho tôi- Thầy đã truyền cho tôi những kinh nghiệm làm việc qu‎ý báu. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo và cán bộ Khoa Điện- Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong những năm học tập vừa qua. Tôi xin cảm ơn Ban Lãnh đạo và các đồng nghiệp của tôi ở Công ty Cổ phần Tư vấn và Dịch vụ Kỹ thuật điện đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè- những người luôn động viên tôi trong hai năm học tập và trong thời gian làm luận văn. Mục lục Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ViÕt t¾t TiÕng Anh TiÕng ViÖt Danh mục các bảng biểu Néi dung b¶ng Trang Danh mục các hình vẽ và đồ thị Néi dung h×nh vÏ/®å thÞ Trang Mở đầu MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Trong thực tế vận hành hệ thống điện, tổn thất điện năng và tổn thất điện áp là một điều không thể tránh khỏi. Tuy nhiên, để kiểm soát và duy trì các tổn thất này ở mức tối thiểu, trong giới hạn cho phép nhằm mang lại những lợi ích tối đa thì cần phải có sự đầu tư đồng bộ từ cơ sở vật chất, thiết bị đến quá trình quy hoạch, tính toán thiết kế và vận hành hệ thống điện. Vấn đề giảm tổn thất và nâng cao chất lượng điện năng đã và đang được quan tâm bởi vì chúng là những vấn đề mang tính sống còn đối với ngành Điện. Đặc biệt, nó trở nên quan trọng hơn từ khi nước ta ra nhập WTO và nền kinh tế chịu ảnh hưởng trực tiếp từ các tác động của nền kinh tế thế giới. Theo các thống kê của ngành Điện, tổn thất điện năng chủ yếu ở lưới phân phối, chiếm khoảng tổng tổn thất trong hệ thống điện. Để giảm bớt tổn thất trong lưới phân phối và đảm bảo điện áp lưới trong phạm vi cho phép, người ta thường sử dụng các giải pháp kỹ thuật như: cải tạo lưới, thay thế dây dẫn, nâng điện áp, bù công suất phản kháng, v..v... Trong các giải pháp đó, bù công suất phản kháng là một giải pháp với nhiều ưu điểm vượt trội như đơn giản, rẻ tiền, khả thi và hiệu quả cao. Tuy nhiên trong thực tế, vấn đề bù công suất phản kháng trong lưới phân phối lại chưa được quan tâm đúng mức, chưa có những tính toán và đầu tư thỏa đáng nên hiệu quả mang lại chưa được như mong muốn. Lưới phân phối với đặc điểm quy mô rộng lớn và rất phức tạp của các đường dây và trạm, phụ tải đa dạng, mang tính ngẫu nhiên cao, biến đổi theo thời gian, v..v... nên các phương pháp tính toán thông thường gặp nhiều khó khăn để đưa ra những quy hoạch chính xác cho sự vận hành kinh tế lưới phân phối nói chung và tính toán bù công suất phản kháng nhằm giảm tổn thất và nâng cao chất lượng điện năng nói riêng. Đề tài “ Ứng dụng lý thuyết tập mờ giải quyết bài toán tối ưu hóa bù công suất phản kháng trong lưới phân phối” ra đời hứa hẹn khả năng mang lại những đóng góp hữu ích cho việc quy hoach, tính toán thiết kế nhằm vận hành lưới phân phối một cách kinh tế nhất với lượng giảm chi phí vận hành lớn nhất và chất lượng điện năng cao nhất. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu phương pháp tính toán sử dụng tụ điện tĩnh bù công suất phản kháng trong lưới phân phối nhằm giảm thiểu tổn thất công suất tác dụng, tổn thất điện năng và tổn thất điện áp trên lưới. 3. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu: Xây dựng và giải quyết bài toán tối ưu hóa vị trí và dung lượng của tụ điện bù trong lưới phân phối trên cơ sở ứng dụng lý thuyết tập mờ nhằm mục tiêu cực tiểu hóa chi phí hàng năm với điều kiện điện áp các nút phụ tải nằm trong phạm vi cho phép. Nghiên cứu sử dụng các công cụ trong phần mềm MATLAB: - SimPowerSystems để mô phỏng và tính chế độ xác lập của lưới điện, - FIS Editor để tính toán các biến mờ. 4. Bố cục luận văn: Tên đề tài: “ Ứng dụng lý thuyết tập mờ giải quyết bài toán tối ưu hóa bù công suất phản kháng trong lưới phân phối” Mở đầu Chương I: Tổng quan về bù công suất phản kháng và các phương pháp giải bài toán tối ưu hóa bù công suất phản kháng trong lưới phân phối. Chương II: Lý thuyết tập mờ và phạm vi ứng dụng trong tính toán và điều khiển hệ thống điện. Chương III: Ứng dụng lý thuyết tập mờ giải quyết bài toán tối ưu hóa bù công suất phản kháng trong lưới phân phối. Chương IV: Giải quyết bài toán thực tế: Tối ưu hóa bù công suất phản kháng trong lưới phân phối Hà Nội. Kết luận Do còn nhiều hạn chế về sự hiểu biết nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ các thầy cô giáo, đồng nghiệp và tất cả mọi người quan tâm tới lĩnh vực này. CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI. Chương I đề cập đến một số vấn đề: Lưới phân phối Công suất phản kháng Các phụ tải điện Bù công suất phản kháng cho phụ tải Khái quát một số bài toán tối ưu hóa bù công suất phản kháng trong lưới phân phối Lưới phân phối Vai trò của lưới phân phối Lưới phân phối thực hiện nhiệm vụ phân phối điện cho một địa phương (thành phố, quận, huyện …v..v), có bán kính cung cấp điện nhỏ ( thường dưới 50 km). Lưới phân phối nhận điện từ các trạm phân phối khu vực, gồm: Lưới điện có các cấp điện áp 110/35 kV; 110/22 kV; 110/10 kV; 110/6 kV. Lưới điện có các cấp điện áp 35/22 kV; 35/10 kV; 35/6 kV Phương thức cung cấp điện của lưới phân phối thường có hai dạng: Phân phối theo một cấp điện áp trung áp và phân phối theo hai cấp điện áp trung áp. Phân phối theo một cấp điện áp trung áp (hình 1.1) Trạm nguồn có thể là trạm tăng áp của các nhà máy địa phương hoặc trạm phân phối khu vực có các dạng CA/TA (110/35-22-10-6 kV) Trạm phân phối nhận điện từ trạm nguồn qua lưới trung áp, sau đó điện năng được phân phối tới các hộ phụ tải qua mạng điện hạ áp, có dạng TA/HA (35-22-10-6/0.4 kV) Mạng trung áp (Trạm nguồn) Trạm phân phối Mạng hạ áp (Hộ phụ tải) Mạng trung áp Mạng hạ áp Hình 1.1. Phân phối theo một cấp điện áp trung áp Phân phối theo hai cấp điện áp trung áp (hình 1.2) Mạng phân phối 1 và phân phối 2 Hình 1.2. Phân phối theo hai cấp điện áp trung áp Trạm nguồn Trạm phân phối hạ áp Hộ phụ tải Mạng phân phối 1 Trạm phân phối trung gian Mạng phân phối 2 Mạng hạ áp Trạm nguồn là trạm tăng áp của các nhà máy điện địa phương hoặc trạm phân phối khu vực, thường có các dạng CA/TA (110/35 kV) hoặc TA1/TA2 (35/22-10-6 kV). Trạm phân phối trung gian có dạng TA1/TA2 (35/22-10-6 kV). Trạm phân phối hạ áp có dạng TA/HA (22-10-6/0.4 kV). Kết cấu lưới phân phối có ảnh hưởng rất lớn tới các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của toàn hệ thống điện như: Độ tin cậy cung cấp điện Độ dao động điện áp tại các hộ phụ tải Tổn thất điện năng: ở lưới phân phối thường có tổn thất điện năng gấp 3 tới 4 lần ở lưới truyền tải Chi phí đầu tư xây dựng: chi phí đầu tư xây dựng ở lưới phân phối thường từ 1.5 tới 2.5 lần so với lưới truyền tải Xác suất ngừng cung cấp điện: Xác suất ngừng cung cấp điện ở lưới phân phối thường lớn hơn nhiều lần ở lưới truyền tải do kết cấu lưới phân phối rất phức tạp. Đặc điểm chung của lưới phân phối Lưới phân phối có một số đặc điểm chung như sau: Phụ tải của lưới phân phối đa dạng và phức tạp. Lưới phân phối thường có dạng hinh tia. Chế độ vận hành bình thường của lưới phân phối là vận hành hở. Để tăng cường độ tin cậy cung cấp điện người ta có thể sử dụng cấu trúc mạch vòng nhưng thường vận hành ở chế độ hở. Trong mạch vòng các đường dây thường được liên kết với nhau bằng dao cách ly, hoặc máy cắt điện. Các thiết bị này vận hành ở vị trí mở. Khi cần sửa chữa hoặc sự cố thì việc cung cấp điện không bị gián đoạn lâu dài nhờ việc chuyển đổi phương thức cung cấp điện. So với mạng hình tia, mạng mạch vòng có chất lượng điện tốt hơn. Tuy nhiên mạch vòng lại tồn tại nhiều vấn đề phức tạp về bảo vệ rơle và hiệu quả khai thác mạch vòng kín so với mạch hình tia thấp hơn với cùng lượng vốn đầu tư. Trong những năm gần đây, do sự phát triển nhanh chóng các thiết bị có công nghệ cao và các thiết bị tự động, việc giảm bán kính cung cấp điện – tăng tiết diện dẫn và bù công suất phản kháng nên chất lượng điện năng trong mạng hình tia đã được cải thiện đáng kể. Kết quả của các công trình nghiên cứu và thống kê từ thực tế vận hành cho thấy rằng hiện nay lưới phân phối hình tia vẫn còn được sử dụng phổ biến. Đặc điểm của lưới phân phối Việt Nam hiện nay Do lịch sử phát triển, lưới phân phối Việt Nam hiện nay còn tồn tại rất nhiều cấp điện áp phân phối như 35, 22, 10, 6 kV làm cho kết cấu lưới rất phức tạp. Phương thức cấp điện hỗn hợp cả hai mô hình một cấp điện áp và hai cấp điện áp trung áp cũng góp phần tăng thêm độ phức tạp của lưới phân phối. Ngoài ra quy hoạch và phát triển lưới điện chưa có được mô hình tổng thể và sự thống nhất. Do vậy chất lượng cung cấp điện còn thấp: Độ sụt áp và các loại tổn thất lớn, sự cố xảy ra nhiều. Các thiết bị điện, phụ tải điện vận hành trên lưới chưa được quy định chặt chẽ về các chỉ tiêu kỹ thuật ( các thông số kỹ thuật, hiệu suất, hệ số công suất, chế độ làm việc, sóng hài, các chương trình quản lý, …v..v..) để đảm bảo chất lượng lưới. Các đường dây thường có khoảng cách lớn, mang tải lớn vượt quá khả năng tải của cấp điện áp đang sử dụng. Những đặc điểm nêu trên dẫn tới chất lượng cung cấp điện chưa cao, chất lượng điện năng không đảm bảo: Độ sụt áp lớn, sóng hài cao, tổn thất lớn, sự cố xảy ra nhiều. Vì vậy việc nghiên cứu tổng thể về lưới phân phối hiện nay là rất cần thiết, trong đó nghiên cứu việc bù công suất phản kháng để giảm tổn thất công suất, giảm tổn thất điện năng, cải thiện điện áp, hệ số công suất, hạn chế các dao động điện áp lớn và các nhiễu loạn trên lưới điện nhằm cải thiện chất lượng cung cấp điện và tăng hiệu quả kinh tế, từ đó đưa ra những quy hoạch phát triển chi tiết, tổng thể để đảm bảo và đáp ứng tốt tốc độ tăng trưởng kinh tế là công việc đang được ngành điện quan tâm. Công suất phản kháng Khái niệm công suất phản kháng Công suất phản kháng của điện cảm Trong mạch điện có tải là điện trở và điện cảm (hình 1.3) được cung cấp bởi điện áp u = Umsinwt, dòng điện i chậm pha sau so với điện áp u góc j i = Im.sin(wt-j) i = Im(sinwt.cosj - sinj.coswt) R u L i Hình 1.3. Mạch điện với tải có tính điện cảm i = ia + ir Trong đó: ia = Imcosj.sinwt ir = - Im.sinj.coswt = Im.sinj.sin(wt - p/2) Có thể coi dòng điện i là tổng của hai thành phần: + ia có biên độ Imcosj cùng pha với điện áp u, được hiểu là thành phần tác dụng của dòng điện. + ir có biên độ Imsinj chậm pha với điện áp u góc p/2, được hiểu là thành phần phản kháng của dòng điện. Công suất tương ứng với thành phần ia : P = UIcosj gọi là công suất tác dụng, đặc trưng cho cường độ của quá trình tiêu tán năng lượng. Công suất tương ứng với thành phần ir : , (với nên ) gọi là công suất phản kháng của điện cảm, đặc trưng cho cường độ của quá trình dao động năng lượng giữa nguồn với từ trường của điện cảm. Biểu diễn quan hệ P và QL (hình 1.4): Hình 1.4. Quan hệ giữa P và Q ở mạch tải có tính điện cảm Công suất phản kháng của điện dung Trong mạch điện có tải là điện trở và điện dung (hình 1.5) được cung cấp bởi điện áp u = Umsinwt, dòng điện i vượt trước so với điện áp u góc j i = Im.sin(wt+j) i = Im(sinwt.cosj + sinj.coswt) i = ia + ir R u C i Hình 1.5. Mạch điện với tải có tính điện dung Trong đó: ia = Im.cosj.sinwt ir = Im.sinj.coswt = Imsinj.sin(wt + p/2) Có thể coi dòng điện i là tổng của hai thành phần: + ia có biên độ Im.cosj cùng pha với điện áp u, được hiểu là thành phần tác dụng của dòng điện. + ir có biên độ Im.sinj vượt trước so với điện áp u góc p/2, được hiểu là thành phần phản kháng của dòng điện. Công suất tương ứng với thành phần ia : P = U.I.cosj gọi là công suất tác dụng, đặc trưng cho cường độ của quá trình tiêu tán năng lượng. Hình 1.6. Quan hệ giữa P và Q ở mạch tải có tính điện dung Công suất tương ứng với thành phần ir : , (với nên ) gọi là công suất phản kháng của tụ điện, đặc trưng cho cường độ của quá trình dao động năng lượng giữa nguồn và điện trường của tụ điện. Biểu diễn quan hệ P và QC (hình 1.6): QL QC Q j1 j2 Hình 1.7. Sự giảm CSPK của mạch điện nhờ có QC P Trong mạch điện gồm có cả điện cảm và điện dung, công suất phản kháng điện dung ngược dấu với công suất phản kháng điện cảm, có tác dụng giảm bớt công suất phản kháng của mạch điện (Hình 1.7): Năng lượng tích luỹ trong điện trường của điện dung còn gọi là năng lượng tĩnh điện, dấu của nó luôn luôn ngược với dấu năng lượng điện từ trong từ trường của điện cảm. - Năng lượng điện từ là năng lượng phản kháng dương - Năng lượng tĩnh điện là năng lượng phản kháng âm. Các nguồn phát công suất phản kháng Máy điện đồng bộ Trong hệ thống điện, các nguồn công suất phản kháng gồm có: Máy điện đồng bộ (máy phát điện, máy bù, động cơ đồng bộ), tụ điện tĩnh và các đường dây tải điện (đường dây có điện áp cao hoặc cáp điện). Khả năng phát công suất phản kháng của nhà máy điện rất hạn chế do cosjđm của máy phát thường không được thấp hơn 0.8. Vì lý do kinh tế người ta hạn chế sử dụng các máy bù đồng bộ và động cơ điện đồng bộ. Chúng chỉ sử dụng trong những trường hợp đặc biệt, không thể thay thế. Các máy điện đồng bộ nói chung chỉ đáp ứng được một phần nhu cầu công suất phản kháng của phụ tải (chủ yếu tập trung ở phía lưới truyền tải), phần còn lại do các tụ điện tĩnh đảm trách. Các tụ điện tĩnh dùng làm nguồn phát công suất phản kháng có thể được sử dụng ở cả phía lưới truyền tải và lưới phân phối. Đường dây tải điện Trong hệ thống điện có thể kể đến một nguồn công suất phản kháng nữa đó là các đường dây, nhất là các đường dây siêu cao áp. Tuy nhiên, với lưới phân phối, lưới có điện áp thấp, công suất phản kháng phát ra có số lượng đáng kể ở các đường cáp có chiều dài lớn. Tụ điện tĩnh Trong khuôn khổ của đề tài, tác giả chỉ tập trung đề cập đến nguồn công suất phản kháng trong lưới phân phối được sinh ra từ các tụ điện tĩnh cùng các ưu nhược điểm của nó. Ưu điểm: - Chi phí tính theo một đơn vị công suất phản kháng (kVAr) ở tụ điện rẻ hơn máy bù đồng bộ, ưu điểm này càng rõ nét khi lượng công suất phản kháng phải cung cấp càng lớn. - Tổn thất công suất tác dụng trong tụ điện rất nhỏ, chỉ W/kVAr; trong khi đó máy điện đồng bộ tương đối lớn, khoảng W/kVAr tuỳ theo công suất định mức của máy. - Tụ điện vận hành đơn giản, độ tin cậy cao hơn máy bù đồng bộ. - Tụ điện lắp đặt đơn giản, có thể phân ra nhiều cụm để lắp rải trên lưới phân phối, hiệu quả là cải thiện tốt hơn đường cong phân bổ điện áp. Không cần người trông nom, vận hành . Việc bảo dưỡng sửa chữa đơn giản. Nhược điểm: - Tụ điện không cho phép điều chỉnh dung lượng bù một cách liên tục như máy bù đồng bộ mà dung lượng bù được điều chỉnh theo từng cấp. - Tụ điện chỉ có khả năng phát ra công suất phản kháng mà không có khả năng thu nhận công suất phản kháng như máy bù đồng bộ. - Công suất phản kháng do tụ điện phát ra phụ thuộc vào điện áp vận hành. Tuổi thọ không cao, độ bền thấp, dễ hư hỏng (khi bị ngắn mạch, quá áp). Tuy nhiên, với sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật điều khiển, công nghệ chế tạo vật liệu bán dẫn cùng các thiết bị điều khiển, điện tử công suất, người ta đã chế tạo ra các thiết bị bù tĩnh có khả năng khắc phục các nhược điểm của tụ điện nhưng giá thành còn khá cao nên chưa được sử dụng phổ biến, đặc biệt ở lưới phân phối. - Để điều chỉnh trơn dung lượng bù người ta dùng bù công suất phản kháng có điều khiển SVC (Static Var Compensator). - Để có thể phát hay nhận công suất phản kháng người ta dùng SVC gồm tổ hợp TCR và TSC. - Để bảo vệ quá áp và kết hợp điều chỉnh tụ bù theo điện áp, người ta lắp đặt các bộ điều khiển để đóng cắt tụ theo điện áp. Nhu cầu công suất phản kháng ở một số phụ tải điện Các phụ tải điện có nhu cầu lớn về công suất phản kháng gồm có: động cơ không đồng bộ, máy biến áp, trên đường dây tải điện và mọi nơi có từ trường. Công suất phản kháng đóng vai trò tạo ra từ trường, yếu tố trung gian cần thiết trong quá trình chuyển hoá biến đổi điện năng. Nhu cầu công suất phản kháng của từng phụ tải điện trong tổng nhu cầu công suất phản kháng của hệ thống có thể được phân chia một cách gần đúng theo tỉ lệ: - Động cơ không đồng bộ sử dụng từ 60 đến 65% tổng công suất phản kháng của hệ thống. - Máy biến áp sử dụng từ 22 đến 25% tổng công suất phản kháng của hệ thống. - Đường dây tải điện và các phụ tải khác sử dụng 10% tổng công suất phản kháng của hệ thống. Động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ là thiết bị sử dụng nhiều nhất lượng công suất phản kháng của hệ thống. Công suất phản kháng ở động cơ không đồng bộ bao gồm 2 thành phần: Phần lớn công suất phản kháng được sử dụng để tạo ra từ trường khe hở. Từ thông móc vòng từ mạch stato sang mạch rôto qua môi trường khe hở không khí có từ trở lớn nên cần dòng điện từ hóa lớn dẫn đến nhu cầu công suất phản kháng lớn. Phần nhỏ công suất phản kháng sinh ra từ trường tản trong mạch sơ cấp. Từ trường tản không đóng vai trò gì trong quá trình chuyển hóa năng lượng. Máy biến áp Các máy biến áp sử dụng khoảng 22 đến 25% lượng công suất phản kháng của hệ thống, do không có khe hở không khí nên không cần dòng điện từ hóa lớn dẫn đến nhu cầu công suất phản kháng nhỏ hơn động cơ không đồng bộ. Nhưng do số lượng lớn cả về dung lượng và số thiết bị do vậy nhu cầu tổng công suất phản kháng của máy biến áp cũng đáng kể: Công suất phản kháng tiêu thụ bởi máy biến áp gồm hai thành phần: Công suất phản kháng dùng để từ hoá lõi thép không phụ thuộc vào tải Công suất phản kháng tạo ra từ trường tản, phụ thuộc vào tải. Đèn huỳnh quang Đa số các đèn huỳnh quang vận hành cần có một chấn lưu điện từ để tạo điện áp mồi ban đầu cho đèn và hạn chế dòng điện trong quá trình đèn làm việc bình thường. Với cấu tạo là cuộn dây – lõi thép, chấn lưu điện từ cần sử dụng một lượng công suất phản kháng để từ hóa lõi thép, tạo ra từ trường biến thiên. Tuỳ theo điện cảm của chấn lưu, hệ số công suất chưa được hiệu chỉnh của chấn lưu vào khoảng 0,5. Bù công suất phản kháng cho phụ tải Bù công suất phản kháng Các phụ tải dân dụng và công nghiệp phần lớn là có tính cảm kháng, điện áp vượt trước dòng điện. Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện càng lớn thì hệ số công suất của lưới điện càng nhỏ. Bù công suất phản kháng có mục tiêu là giảm bớt góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp. Với cùng một công suất tác dụng cung cấp cho phụ tải, khi hệ số công suất càng thấp dẫn đến công suất phản kháng truyền tải trên đường dây để cung cấp cho phụ tải càng lớn, tạo ra tổn thất công suất tác dụng và tổn thất năng lượng càng cao. Bù công suất phản kháng có nghĩa là sử dụng các thiết bị có khả năng phát công suất phản kháng đặt ở phía tải để đáp ứng trực tiếp nhu cầu công suất phản kháng của phụ tải. Trong lưới phân phối chủ yếu sử dụng tụ điện tĩnh mắc song song với các phụ tải sử dụng công suất phản kháng (còn được gọi là các tụ bù ngang). Công suất phản kháng phát ra từ các tụ điện tĩnh này sẽ cung cấp trực tiếp cho các phụ tải, tránh phải truyền tải đi xa, gây ra nhiều tổn thất trong quá trình truyền tải. Xét mạng điện với phụ tải (Hình 1.8) R + jX P + jQ P + jQ Hình 1.8. Lưới điện khi chưa đặt thiết bị bù Tổn thất công suất tác dụng (DP) và công suất phản kháng (DQ) trên đường dây với tổng trở được xác định một cách gần đúng: (1.1) Giá trị hiệu dụng của tổn thất điện áp trên đường dây: (1.2) Sử dụng tụ điện tĩnh đặt ở phía tải, lượng công suất phản kháng do tụ điện phát ra la là Qbù thì công suất phản kháng cần truyền tải trên đường dây chỉ còn là (Q-Qbù) (Hình 1.9) R + jX P + j(Q-Qbù) P + jQ Qbù Hình 1.9. Lưới điện đã đặt tụ bù Tương tự, tổn thất công suất tác dụng và công suất phản kháng trên đường dây sau khi đặt tụ bù đã được xác định: (1.3) Giá trị hiệu dụng của tổn thất điện áp trên đường dây khi có tụ bù: (1.4) Lượng tổn thất công suất tác dụng , tổn thất công suất phản kháng và tổn thất điện áp đã giảm đi so với khi chưa có tụ bù. Các lợi ích khi thực hiện bù công suất phản kháng: Giảm được công suất tác dụng yêu cầu ở chế độ max (công suất đỉnh) của hệ thống điện, do giảm được tổn thất công suất tác dụng trong quá trình truyền tải. Vì vậy, dự trữ công suất tác dụng giảm đi và độ tin cậy của hệ thống điện tăng lên. Giảm tải cho các máy biến áp trung gian và các đường dây trung áp do giảm lượng công suất phản kháng phải truyền tải. Hiệu quả mang lại cho ngành Điện rất lớn, đó khả năng trì hoãn việc cải tạo lưới, nâng dung lượng máy biến áp, tăng tiết diện dây dẫn dẫn đến giảm nhẹ áp lực về vốn đầu tư. Giảm được tổn thất điện năng Cải thiện chất lượng điện áp cung cấp cho các phụ tải Cải thiện hệ số công suất Khái quát một số bài toán tối ưu hóa bù công suất phản kháng trong lưới phân phối Bài toán xác định vị trí tụ bù trong lưới phân phối sử dụng thuật toán mờ Trong những năm gần đây đã có nhiều công trình nghiên cứu xác định vị trí tối ưu tụ bù trong lưới phân phối sử dụng thuật toán mờ (gọi tắt là phương pháp mờ). Tiêu biểu cho phương pháp sử dụng thuật toán mờ là các công trình nghiên cứu của Hong-Chan Chin, Whei-Min Lin [9] và M.M.A. Salama, A.Y. Chikhani [10]. Chin và Lin đã mô hình hóa bài toán với: Hàm mục tiêu: (1.5) Với: - giá của một đơn vị công suất tổn thất (USD/kW/năm) - chỉ số của các nút được lựa chọn để bù. - Tổng tổn thất công suất tác dụng trong lưới. - Tổn thất công suất tác dụng trên đường dây nối giữa nút i và nút i+1 - tổng dẫn phức đường dây nối giữa i và nút i+1 - môđun tổng dẫn phức - giá trị hiệu dụng của điện áp giữa hai nút i+1 và nút i, được xác định từ mạch điện ở chế độ xác lập. - tương ứng là điện trở và điện kháng của đường dây nối giữa nút i và nút i+1 Ràng buộc: (1.6) Với: - chỉ số của các nút lưới , - tương ứng là giới hạn dưới và giới hạn trên của dải điện áp cho phép. Cũng tương tự như Chin và Lin, nhưng Salama và Chikhani [10] có những điểm khác trong xây dựng hàm mục tiêu: Hàm mục tiêu: (1.7) Với: - lượng giảm tổn thất công suất tác dụng, được xác định tương tự như trong phương pháp của Chin và Lin - lượng giảm tổn thất năng lượng C - dung lượng tụ bù - giá của 1 đơn vị tổn thất năng lượng giảm được - giá của 1 đơn vị công suất đỉnh giảm được - giá của 1 đơn vị dung lượng bù Ràng buộc: giống như phương pháp của Chin và Lin (1.8) Trình tự thực hiện bài toán ở 2 phương pháp đều có những điểm chung cơ bản: Tính toán chế độ xác lập của lưới (khi chưa bù) để xác định điện áp các nút và tổn thất công suất tác dụng của lưới. Xác định các hàm thuộc cho các biến vào và biến ra. Xác định các nút thích hợp để lắp đặt tụ bù và sắp xếp theo độ thích hợp giảm dần. Xác định dung lượng bù tối ưu tại các nút thích hợp theo tiêu chí tối thiểu hóa hàm chi phí (1.5) hoặc tối đa hóa hàm tiết kiệm (1.7). Lắp đặt dung lượng bù tối ưu tại các vị trí thích hợp và tính toán chế độ xác lập để đảm bảo điện áp các nút lưới không vi phạm ràng buộc điện áp. Điểm khác nhau cơ bản của hai phương pháp trên là cách lựa chọn các tập mờ của các biến vào và biến ra, các hàm thuộc của chúng, cùng với các ưu nhược điểm của từng phương pháp (sẽ được tác giả phân tính kỹ ở mục 3.4.2.2 sau khi đã đề cập tới lý thuyết tập mờ). Ưu điểm của phương pháp sử dụng thuật toán mờ: Đơn giản và hiệu quả Không yêu cầu cao các thủ tục tối ưu hóa phức tạp. Cho phép tính toán với những mô hình không đầy đủ dữ kiện, hoặc không thể định lượng hoặc biến đổi không theo quy luật. Nhược điểm của phương pháp sử dụng thuật toán mờ: Có thể xảy ra khả năng lời giải bị “bẫy” tại các cực trị địa phương. Nếu muốn giảm bớt mức độ cồng kềnh của bài toán tối ưu hóa bù công suất phản kháng tổng quát, cần phải sử dụng các giả thiết đơn giản hóa như: Tải 3 pha đối xứng, tải không đổi theo thời gian, hệ số công suất tải không đổi, bỏ qua sóng hài bậc cao của dòng điện, v..v... Bài toán xác định vị trí của tụ bù trong lưới phân phối sử dụng phương pháp tìm kiếm thực nghiệm Phương pháp giải quyết bài toán xác định vị trí của tụ bù trong lưới phân phối sử dụng phương pháp tìm kiếm thực nghiệm được M. Chis, M.M.A. Salama và S. Jayaram đưa ra [8]. Lưu đồ thuật toán được đưa ra (hình 1.10). Những điểm khác biệt nổi bật của phương pháp này so với các phương pháp sử dụng thuật toán mờ là ở hàm mục tiêu và phương pháp xác định nút thích hợp để đặt tụ bù: Hàm mục tiêu: (1.9) Với: - dung lượng tụ bù thứ i , , - tương ứng là các hệ số quy đổi lượng giảm tổn thất công suất, lượng giảm năng lượng tổn thất và dung lượng bù ra tiền mặt. , - tương ứng là lượng giảm tổn thất công suất và lượng giảm năng lượng tổn thất Hàm mục tiêu S được xác định trong điều kiện tải thay đổi theo các khoảng thời gian trong ngày: Trong mỗi khoảng thời gian trên, hệ số tải được coi là không đổi. Với nút bất kỳ k, hệ số tải sẽ là , và tương ứng với các khoảng thời gian , , . Hàm mục tiêu khi thực hiện bù nút k được xác định: (1.10) Phương pháp xác định nút thích hợp để đặt tụ bù: Tổn thất công suất tác dụng gây ra bởi thành phần phản kháng của dòng điện tải được xác định: Với: - điện trở của mạch vòng mà cả dòng điện và cùng chạy qua - điện trở của mạch vòng ngắn n