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

Tạp chí KHKT Nông nghiệp, Tập 1, số 2/2003 
 142 
bù công suất phản kháng nâng cao chất l−ợng điện 
năng l−ới điện nông nghiệp 
Reactive power compensation to raise electric quality in agricultural 
distribution network 
 Nguyễn Thị Hiên1 
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. 
IBộ môn Điện Nông nghiệp, Khoa Cơ điện 
1. Đặt vấn đề 
Nghiên cứu, đề xuất ph−ơng pháp tính 
toán bù tối −u công suất phản kháng phù 
hợp với l−ới điện phân phối sao cho vừa 
đảm bảo chất l−ợng điện áp, vừa có tính 
kinh tế đang là một vấn đề cần đ−ợc quan 
tâm bởi vì trong thực tế, việc lắp đặt các 
thiết bị bù ch−a mang lại hiệu quả kinh tế; 
dung l−ợng và vị trí đặt thiết bị bù đ−ợc 
chọn ch−a hợp lý nên không những không 
cải thiện đ−ợc chất l−ợng điện mà còn có 
thể làm tăng tổn hao, gây thiệt hại kinh tế. 
Việc tính toán, lựa chọn vị trí và dung 
l−ợng 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 ph−ơng 
pháp tính bù công suất phản kháng 
(ph−ơng 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 ph−ơng pháp 
đều có −u, nh−ợc điểm nhất định và thích 
hợp trong những điều kiện tính toán khác 
nhau, các mô hình đ−ợc xây dựng ch−a 
mang ý nghĩa tổng quát, chỉ áp dụng với 
mạng điện hình tia đơn giản, ch−a xét tới 
sự phân bố ngẫu nhiên của phụ tải ... 
Mô hình bù tối −u cho phép xác định vị 
trí và dung l−ợng đặt bù sao cho đạt đ−ợc 
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 m^n tất cả các 
điều kiện kỹ thuật trong chế độ làm việc 
bình th−ờng của mạng điện. Chỉ tiêu hiệu 
Bù công suất phản kháng nâng cao chất l−ợng 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 
tr−ớc khi đặt bù, (kWh); 
 DA phụ thuộc vào cấu trúc l−ới, đồ thị 
phụ tải công suất phản kháng, cấu trúc 
trạm bù: số l−ợng, vị trí, chế độ vận hành 
tụ bù. 
 p - hệ số đ−ợc xác định: 
 p = atc + kvh + kkh (2.2) 
 Với: atc = 
nT
1
 - hệ số thu hồi vốn đầu t− 
tiêu chuẩn; 
 Tn - thời gian thu hồi vốn đầu t− tiêu 
chuẩn, (năm); 
 kvh, kkh - hệ số vận hành và hệ số khấu 
hao thiết bị, th−ờng lấy theo phần trăm 
vốn đầu t− (bao gồm cả xây lắp và thiết 
bị). Với l−ới trung áp: Kvh = 7%, kkh = 3% 
ữ 5% (Trần Quang Khánh, 2000) 
 koj - thành phần chi phí cố định của 
trạm tụ bù j, (đồng /trạm); 
 kb - giá đơn vị công suất tụ bù, là hàm 
phụ thuộc công suất bù, là hàm phi tuyến, 
rời rạc của Qb, để đơn giản lấy kb = const; 
 Qbj - 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∆τ- 
 - 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 
 Qi = Qtj - Qbj + )( k
k
k QQ ∆+∑ (2.4) 
Trong đó: 
 Qi - công suất phản kháng đi tới nút j, 
với mạng điện hở i = j; 
 Qtj - phụ tải phản kháng tại nút j, 
(kVAr); 
 Tổng k lấy ứng với các nhánh nối với 
nút j có h−ớng công suất đi ra khỏi nút. 
+ Điều kiện về công suất phát của tụ: 
 0 ≤ Qbj ≤ Qbjmax (2.5) 
 Qbjmax - công suất bù tối đa tại nút 
j, xác định theo công suất phụ tải. 
 + Điều kiện về chất l−ợng 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: 
 ∆Vcpd% ≤ ∆Vj% ≤ ∆Vcpt% (2.6) 
 hay Umin ≤ Uj ≤ Umax (2.7) 
Umax, Umin - Giới hạn cho phép trên và 
d−ới 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 đ−ờng dây) 
Sau khi đặt bù, dòng điện chạy qua 
các nhánh phải ở trong giới hạn cho phép, 
nghĩa là: 
 Ii ≤ Icpi (2.8) 
Icpi - dòng điện cực đại cho phép chạy 
qua nhánh i, giá trị này đ−ợc 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 đ−ợc 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 l−ợng (2000) cho thấy ph−ơng 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 
đ−ợc thực tiễn của l−ới điện phân phối 
hiện nay ở Việt Nam. 
2. 2. Ph−ơng 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 
ph−ơng pháp giải phù hợp, có hiệu quả là 
vấn đề quan trọng và có ý nghĩa. 
Qua phân tích, đánh giá một số ph−ơng 
pháp tính (Viện năng l−ợng, 2000; 
Nguyễn Thị Hiện, 2002), ph−ơng pháp lặp 
nhiều b−ớc tỏ ra là ph−ơng pháp khá phù 
hợp đối với bài toán tính toán dung l−ợng 
tụ bù tối −u, tuy mức độ hội tụ chậm hơn 
so với các ph−ơng pháp sử dụng đạo hàm 
cấp hai (Lagrange, Gradient ...) nh−ng −u 
điểm nổi bật của ph−ơng 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 l−ợng tính toán của 
ph−ơng pháp lớn, đòi hỏi phải đ−ợc thực 
hiện trên máy tính. 
2.3. áp dụng 
Bài toán đ−ợc lập trình theo ngôn ngữ 
Matlab, áp dụng cho l−ới điện hình 1, kết 
quả tính toán cho trong bảng 1; Sau khi 
bù, l−ợng điện năng tiết kiệm hàng năm là 
46114,5 kWh mang lại 41,8 triệu đồng 
cho ngành điện; Ph−ơng án đòi hỏi vốn 
đầu t−: 156,3 triệu đồng. 
3. nhận xét Và kết luận 
 Trong điều kiện của mạng điện nông 
nghiệp n−ớc ta hiện nay, việc tìm ra một 
ph−ơng pháp tính bù công suất phản 
kháng khoa học là một bài toán hết sức có 
ý nghĩa, ph−ơng 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 đ−ợc một số nh−ợc điểm của 
các ph−ơng pháp tính tr−ớc đó, cụ thể: 
 Ph−ơng pháp có thể áp dụng thuận tiện 
đối với một mạng điện hở bất kỳ, số liệu 
đòi hỏi không nhiều, dễ thu thập. 
 Ph−ơng pháp và ch−ơng trình tính toán 
cho phép xem xét sự ảnh h−ởng đồng thời 
của nhiều yếu tố kinh tế - kỹ thuật, do đó 
nâng cao đ−ợc 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 
h−ởng đến tính tối −u của bài toán. 
 Ph−ơng pháp đề xuất có thể áp dụng có 
hiệu quả đối với các l−ới điện trung áp ở 
khu vực nông nghiệp và cũng có thể mở 
rộng phạm vi ứng dụng đối với các l−ới 
điện phân phối khác. 
 145
Bù công suất phản kháng nâng cao chất l−ợng điện năng 
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
ìn
h 
1.
 S
ơ
 đ
ồ
 m
ạ
n
g 
đ
iệ
n
 t
ín
h
 t
o
á
n
 b
ù
 t
ố
i 
−
u
 c
ô
n
g 
su
ấ
t 
p
h
ả
n
 k
h
á
n
g 
Nguyễn Thị Hiên 
 146 
Tài liệu tham khảo 
Nguyễn Thị Hiên (2002), Bù công suất phản 
kháng nâng cao chất l−ợng điện năng l−ới 
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 tr−ờng Đại học, (page 22). 
Viện Năng l−ợng (2000), “Nghiên cứu thiết 
lập quy trình bù công suất phản kháng 
nhằm giảm tổn thất điện năng trong l−ới 
phân phối”, Đề tài nghiên cứu khoa học. 
Bảng 1. Kết quả tính toán bù tối −u công suất phản kháng l−ới điện hình 1 
Nút Công suất Pmax(kW) cosϕ ∆Utr−ớc (%) ∆Usau (%) Qbù (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