Chương 2: Phụ tải điện

Chia sẻ: Từ Khả Lan | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:48

Thêm vào BST

Báo xấu

155
lượt xem 29
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Dữ kiện tối quan trọng của bài toán thiết kế cung cấp điện là phụ tải điện. Việc xác định chính xác giá trị phụ tải cho phép lựa chọn đúng thiết bị và sơ đồ cung cấp điện, đảm bảo tính kinh tế - kỹ thuật của hệ thống cung cấp điện. Các nhân tố công suất, loại và vị trí của các thiết bị tiêu thụ cho phép xác định cấu trúc sơ đồ và các tham số của các phần tử hệ thống cung cấp điện. Thường trong dữ kiện bài toán thiết kế cho biết công suất đặt của các thiết bị tiêu...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chương 2: Phụ tải điện

Chương 2: Phụ tải điện 2.1. Đặc tính của phụ tải điện 2.1.1. Khái quát chung về phụ tải Dữ kiện tối quan trọng của bài toán thiết kế cung cấp điện là phụ tải điện. Việc xác định chính xác giá trị phụ tải cho phép lựa ch ọn đúng thiết bị và sơ đồ cung cấp điện, đảm bảo tính kinh t ế - k ỹ thu ật c ủa h ệ thống cung cấp điện. Các nhân tố công suất, loại và vị trí của các thiết bị tiêu th ụ cho phép xác định cấu trúc sơ đồ và các tham số của các phần tử hệ thống cung cấp điện. Thường trong dữ kiện bài toán thiết kế cho biết công suất đặt của các thiết bị tiêu thụ điện, tuy nhiên sự đốt nóng các ph ần t ử và các thiết bị điện còn phụ thuộc cả vào chệ độ làm việc của các hộ dùng điệnn vì vậy cần phải xem xét phụ tải theo cả dòng điện I, công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q và công suất toàn phần S. Việc lựa chọn các thiết bị, các phần tử của h ệ thống cung c ấp điện được thực hiện dựa trên kết quả tính toán phụ tải. Sai số của bài toán xác định phụ tải có thể dẫn đến việc lựa chọn sơ đồ thiếu chính xác, dẫn đến giảm sút các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật của hệ thống cung cấp điện. Nếu kết quả tính toán lớn hơn so với giá trị th ực thì s ẽ d ẫn đến sự lãng phí vốn đầu tư, các thiết bị được lựa chọn không làm việc hết công suất, dẫn đến hiệu quả thấp; Nếu kết quả tính toán nh ỏ h ơn giá trị thực, thì sẽ dẫn đến sự làm việc quá tải của các thi ết b ị, không s ử dụng hết khả năng của các thiết bị công nghệ, làm giảm năng suất, làm tăng tổn thất điện năng và giảm tuổi thọ của các thi ết b ị đi ện. Nh ư v ậy bài toán xác định phụ tải là giai đoạn tối quan trọng của quá trình thiết kế cung cấp điện. Tuy nhiên, việc xác định chính xác giá trị phụ t ải là không thể, vì có rất nhiều nhân tố ảnh hưởng đến chệ đ ộ tiêu th ụ đi ện, trong dó có cả các nhân tố tác động ngẫu nhiên. Nhìn chung sai s ố cho phép của bài toán này khoảng ± 10%. Các tham số quan trong tham gia trong quá trình tính toán phụ tải là: 16
- Công suất định mức là công suất thiết bị ứng với với các điều kiện chuẩn do nhà máy chế tạo ghi trên hộ chiếu của thiết bị. Đối với động cơ điện, công suất định mức ghi trên nhãn hiệu máy, chính là công suất cơ trên trục cơ. Đối với các thiết bị làm việc ở ch ế độ ngắn h ạn lặp lại, khi tính toán, công suất định mức được quy về chế độ làm việc dài hạn ứng với hệ số tiếp điện định mức εn: εn ; P’n = Pn (2.1) ở đây P’n là công suất định mức quy về chế độ làm việc dài hạn; εn- hệ số tiếp điện định mức. - Công suất tiêu thụ trung bình trong một khoảng thời gian xét t được xác định từ biểu thức sau: Ar Ptb = (2.2) ; t Ar- điện năng tác dụng và phản kháng tiêu thụ trong khoảng thời gian t. Công suất tiêu thụ trung bình đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích chế độ, xác định phụ tải tính toán và tổn hao điện năng . - Công suất cực đại là công suất lớn nhất xuất hiện trong khoảng thời gian xét. Phân biệt hai loại công suất cực đại: * Công suất cực đại ổn định (PM) là công suất tiêu thụ lớn nhất tác động trong khoảng thời gian không dưới 30 phút. Đây là công su ất đ ể đánh giá chế độ làm việc và chọn thiết bị điện theo điều kiện đốt nóng cho phép. * Công suất cực đại đỉnh nhọn - Pđnh là công suất lớn nhất xuất hiện trong khoảng thời gian ngắn (ví dụ như khi khởi động động cơ). Người ta căn cứ vào giá trị phụ tải này để kiểm tra dao động điện áp, đi ều ki ện tự khởi động của động cơ, chọn dây chảy và tính dòng điện khởi động của rơle bảo vệ. Ngoài trị số của phụ tải đỉnh nhọn, người ta còn quan tâm đến số lần xuất hiện nó, nếu tần số xuất hi ện càng l ớn thì m ức đ ộ ảnh hưởng tới sự làm việc bình thường của các thiết bị dùng điện khác trong mạng điện sẽ càng cao. - Công suất tính toán là công suất giả định lâu dài không đổi, tương đương với phụ tải thực tế về mặt hiệu ứng nhiệt lớn nhất. Các thiết bị điện được chọn theo công suất này sẽ đảm bảo được an toàn 17
trong mọi trạng thái vận hành. Trong thực tế công suất tính toán th ường được lấy bằng công suất cực đại ổn định (Ptt=PM). Việc phân loại phụ tải sẽ cho phép lựa chọn sơ đồ cung c ấp đi ện phù hợp, đảm bảo cho các thiết bị làm việc tin cậy và hiệu qu ả. D ưới góc độ tin cậy cung cấp điện, phụ tải có thể được chia thành ba loại như sau. Phụ tải loại I: Là những phụ tải mà khi có sự cố ngừng cung cấp điện sẽ dẫn đến: Nguy hiểm cho tính mạng con người; Phá h ỏng thi ết b ị đ ắt tiền; Phá vỡ quy trình công nghệ sản xuất; Gây thiệt hại l ớn cho n ền kinh tế quốc dân; Gây ảnh hưởng không tốt về chính trị, ngoại giao. Phụ tải loại II: Là loại phụ tải mà khi có sự cố ngừng cung cấp điện sẽ dẫn đến: Thiệt hại lớn về kinh tế do đình trệ sản xu ất, phá h ỏng thiết bị; Gây hư hỏng sản phẩm; Phá vỡ các hoạt đ ộng bình th ường c ủa đại đa số công chúng... Phụ tải loại III: Gồm tất cả các loại phụ tải không thuộc hai loại trên, tức là phụ tải được thiết kế với độ tin cậy cung cấp điện không đòi h ỏi cao lắm. 2.1.2. Đặc tính của phụ tải Đặc tính tĩnh của phụ tải 2.1.2.1. Đặc tính tĩnh (Static Load Characteristics) của phụ tải biểu thị mối quan hệ phụ thuộc giữa công suất tiêu thụ và các tham số điện, tần số. Đặc tính này có thể biểu thị dưới các mô hình cơ bản là: a) Mô hình hàm mũ (Exponential Models) Đặc tính tĩnh của phụ tải dạng hàm mũ được biểu thị bởi các bi ểu thức: U αU f α f P = P0 ( )() (2.3) U0 f0 U βU f β f Q = Q0 ( )() và (2.4) U0 f0 Trong đó: P, Q – công suất tác dụng và phản kháng tiêu thụ bởi thiết bị điện; U, f – giá trị điện áp và tần số Pn, Qn, Un, fn –các tham số tiêu chuẩn (coi là tham số định mức) của thi ết bị điện; αU, βU, αf, βf – các hệ số hồi quy, xác định từ các số liệu thống kê. 18
Biểu thị dưới dạng đơn vị tương đối: P U fα = ( )αU ( ) f P* = (2.5) Pn Un fn α α P* = U * U f * f ; Hay: (2.6) Đối với công suất phản kháng: Q Qn U βU f β f Q* = = ( )() (2.7) Pn Pn U n fn Hệ số công suất phản kháng tgϕ = Qn/Pn có thể biểu thị như là hàm số phụ thuộc vào hệ số phụ tải kpt: Qn 1 tgϕ = = ± 2 −1 ; Pn k pt Ký hiệu ± biểu thị hệ số phụ tải thụ động/chủ động ( lagging/leading). Sau khi thay thế giá trị tgϕ vào biểu thức (2.7) ta được: β Q* = tgϕ .U *β f* (2.8) f U Các biểu thức (2.3) ÷ (2.8) hoàn toàn phù hợp trong phạm vi biến đổi của điện áp ± 10% và của tần số ± 2,5%. Các tham số của mô hình phụ thuộc của phụ tải xác định trên cơ sở phân tích số liệu thống kê của một số thiết bị dùng điện được biểu thị trong bảng 2.1. Trong đó sáu hệ số đầu ứng với các phụ tải động lực, còn năm hệ số sau - ứng với phụ tải không động lực. Hệ s ố N n biểu thị tỷ phần phụ tải động lực của tải. Ví dụ, cả máy lạnh có tỷ phần phụ tải động lực là 80% và phụ tải không động lực là 20%. Trên cơ sở các mô hình trên có thể xây dựng các đường đặc tính tiêu th ụ đi ện c ủa các thi ết bị. Đường đặc tính tĩnh của động cơ máy bơm được thể hiện trên hình 2.1. Bảng 2.1. Các tham số của mô hình phụ tải của một số thiết bị điện Thiết bị Các hệ số của mô hình αU αf βU βf Nn kpt αUn αfn βUn βfn kpt điện Tủ lạnh 0,8 0,8 0,5 2,5 - 0,8 1 2 0 0 0 4 1,4 Máy giặt 0,6 0,0 2,9 1,6 1,8 1 - - - - - 5 8 Máy rửa bát 0,9 1,8 0 3,5 - 0,8 1 2 0 0 0 9 1,4 Bình nóng 1 2 0 0 0 0 - - - - - 19
lạnh Đèn sợi đốt 1 1,5 0 0 0 0 - - - - - 4 Đèn h. 0,9 0,0 1 3 - 0 - - - - - quang 8 2,8 TV màu 0,7 2 0 5,2 - 0 - - - - - 7 4,6 Máy bơm, 0,8 0,0 2,9 1,6 1,8 1 - - - - - quạt 7 8 Môtơ công 0,8 0,1 2,9 0,6 - 1 - - - - - nghiệp (CN) 3 1,8 nhỏ Môtơ CN 0,8 0,0 1,9 0,5 1,2 1 - - - - - lớ n 9 5 bơm Máy 0,8 1,4 5,6 1,4 4,2 1 - - - - - nông nghiệp 5 Thiết bị tự 0,8 0,0 2,9 1,6 1,8 1 - - - - - dùng NMĐ 8 a) b) Hình 2.1 Đặc tính tĩnh của phụ tải động cơ máy bơm a – Phụ tải tác dụng ; b – Phụ tải phản kháng . b) Mô hình dạng đa thức (Polynomial Models) Mô hình biểu thị sự phụ tải của phụ tải vào điện áp và t ần s ố dạng đa thức được thể hiện như sau: P* = (a0 + a1U * + a2U *2 )(1 + D p ∆f ) (2.9) 20
Qn Q* = (b0 + b1U * + b2U *2 )(1 + Dq ∆f ) Và: (2.10) Pn Trong đó: a và b là các hệ số hồi quy tương ứng của ph ụ tải tác d ụng và ph ản kháng: ao + a1 + a2 = 1 bo + b1 + b2 = 1 Dp – hệ số suy giảm công suất tác dụng do ảnh hưởng của tần số; Dq – hệ số suy giảm công suất phản kháng do ảnh hưởng của tần số; ∆ f – độ lệch tần số so với giá trị quy định. c) Mô hình kết hợp hàm mũ và đa thức Đôi khi hai mô hình trên được kết hợp với nhau để biểu th ị quan hệ phụ thuộc của phụ tải vào các tham số điện áp và tần số: Ppoly + Pexp1 + Pexp 2 Q poly + Qexp1 + Qexp 2 P* = Q* = và (2.11) P0 P0 Trong đó: Ppoly = a0 + a1U * + a3U *2 (2.12) α Pexp1 = a4U * 1 (1 + D p1∆f ) (2.13) α Pexp 2 = a5U * 2 (1 + D p 2 ∆f ) (2.14) 2.1.3. Biểu đồ phụ tải Biểu đồ phụ tải phản ánh rõ nét đặc tính biến đổi của nó theo th ời gian. Biểu đồ phụ tải được xây dựng cho các thiết bị độc lập, cho nhóm thiết bị hoặc cho xuất tuyến, thanh cái trạm biến áp v.v. Dạng tiêu bi ểu nhất của là biểu đồ phụ tải ngày đêm (biểu đồ ph ụ tải hàng ngày 24 tiếng). Trên hình 2.2. biểu thị dạng đặc trưng của biểu đồ ph ụ tải sản xuất (đường cong 1) và biểu đồ phụ tải sinh hoạt (đường cong 2). Trên cơ sở phân tích biểu đồ phụ tải ngày ta có thể dễ dàng nhận thấy ph ụ tải cực đại thường xuất hiện tại hai thời điểm ban ngày và ban đêm. Phụ tải không chỉ thay đổi theo thời gian trong ngày, mà còn thay đ ổi theo mùa, đối với vùng khí hậu nhiệt đới như ở nước ta, có th ể phân bi ệt đ ồ thị phụ tải của hai mùa rõ rệt là mùa hè và mùa đông. Khác với các nước ở vùng ôn đới, nơi phụ tải ở mùa đông P 1 thường lớn hơn phụ tải mùa hè, ở 21 2 Hình 2.2. Biểu đồ phụ tải ngày t đặc trưng: 0 1 –4Phụ t8 i sả12 ấ16 20 24 ả n xu t; 2 – phụ tải sinh hoạt.
Việt Nam do đặc thù của thời tiết nắng nóng mùa hè, nên phụ tải ở mùa này cao hơn nhiều so với phụ tải ở mùa đông. Theo số liệu thống kê ta có thể coi đồ thị phụ tải ngày đặc trưng của mùa hè là đồ thị đo vào tháng 7 và – cho mùa đông là tháng 12. Căn cứ vào đặc điểm biến đổi của phụ tải gần theo chu kỳ hình sin, ta có thể biểu thị sự phụ thuộc giữa phụ tải của tháng bất kỳ thứ t trong năm theo biểu thức: π .t Pi 7 + Pi12 Pi 7 − Pi12 Pit = + (2.15) cos 2 2 2 Trong đó: Pi7 và Pi12 – phụ tải giờ thứ i tương ứng ở tháng 7 (mùa hè) và tháng 12 (mùa đông). Giá trị phụ tải giờ thứ i ở tháng thứ t trong năm có xét đến sự gia tăng công suất (động học phát triển của phụ tải) được biểu thị: t Pit . pt = Pit [1 + (a p − 1) (2.16) ] 12 ap – hệ số gia tăng phụ tải trung bình hàng năm. Như vậy, đối với mỗi điểm tải ta có thể xác định được đồ thị ph ụ tải của 12 tháng trên cơ sở giá trị phụ tải đo được trong 24 gi ờ. Ph ương pháp trên cũng hoàn toàn có nghĩa đối với phụ tải phản kháng. Khi đã có đồ thị phụ tải ta có thể dễ dàng xác định được các tham số cần thi ết cho quá trình tính toán và phân tích mạng điện: Giá trị phụ tải trung bình trong năm được xác định theo biểu thức: 1 24 Pi 7 + Pi12 ∑2 Ptb = (2.17) 24 i =1 Giá trị bình phương phụ tải trung bình: 24 24 24 1 (3∑ Pi 7 + 2∑ Pi 7 Pi12 + 3∑ Pi12 ) Ptb = 2 2 2 (2.18) 192 i =1 i =1 i =1 Thời gian sử dụng công suất cực đại: TM = 8760.Ptb.10-2; (2.19) 22
Thời gian tổn thất cực đại: τ = 8760.Ptb .10 −4 2 (2.20) Trên cơ sở các số liệu khảo sát phụ tải thực tế, các tham số của đồ thị phụ tải đặc trưng của các hộ dùng điện trong sinh hoạt và sản xuất được thể hiện trong bảng 2.2 sau: Bảng 2.2. Các tham số của đồ thị phụ tải của một số hộ dùng điện cơ bản. Loại phụ tải τ, h Ptb, % TM, h Dịch vụ công cộng 49,88 4369 2180 Chiếu sáng căn hộ 31,35 2746 861 Chiếu sáng công sở 28,79 2522 726 Chiếu sáng đường phố 32,30 2829 914 Thiết bị gia dụng 62,32 5459 3402 Động lực nhỏ 56,05 4910 2752 Cấp nước 94,24 8255 7780 Công nghiệp luyện kim 83,13 7282 6054 Công nghiệp hóa chất 84,46 7398 6249 Chế tạo máy cái 76,95 6741 5187 Chế tạo máy 68,69 6017 4133 Công nghiệp nhẹ 75,91 6649 5048 Công nghiệp thực phẩm 82,18 7199 5916 Sản xuất giấy 85,69 7506 6432 Cơ khí xây dựng 65,93 5775 3808 Điện năng tiêu thụ được xác định theo biểu thức: A = PM.TM (2.21) Cơ cấu và giá trị của phụ tải sinh hoạt phụ thuộc vào mức sống trung bình và phương pháp sử dụng năng lượng trong sinh hoạt. Các k ết quả nghiên cứu và thống kê về phụ tải sinh hoạt khu vực thành phố được biểu thị trong bảng 2.3. Bảng 2.3. Giá trị điện năng tiêu thụ trung bình trong sinh hoạt tính trên đầu người dân Sinh hoạt gia đình kWh/n Khu vực công cộng kWh/n g g Chiếu sáng Chiếu sáng tòa nhà 66,37 54,87 Thiết bị gia dụng 123,01 Chiếu sáng đường 23,01 Nấu ăn Phụ tải động lực nhỏ 66,37 99,12 23
Cấp nước Làm mát 21,24 102,65 Nước nóng 16,81 Nhà ăn 51,33 Khác 4,42 Khác 42,48 Tổng 293,81 377,88 Như vậy tổng điện năng tiêu thụ trung bình trong sinh hoạt và công cộng trên một đầu người dân thành phố sẽ là 671,68 kWh/ng.năm. 2.2. Các phương pháp tính toán phụ tải điện Sự đa dạng của các điều kiện và đặc điểm của bài toán xác định phụ tải ứng với các mục đích khác nhau dẫn đến nhiều phương pháp khác nhau trong việc tính toán phụ tải. Mặc dù đã có rất nhi ều nghiên cứu xây dựng các phương pháp tính toán phụ tải, nhưng ch ưa th ể nói được rằng bài toán này đã hoàn toàn được giải quy ết. Sự khác nhau gi ữa các phương pháp trước hết là cơ sở mà các ph ương pháp d ựa vào đ ể đánh giá sự tiêu thụ điện năng, thứ hai là ph ương thức tiếp c ận tính toán phụ tải và thủ tục hay thuật giải, tiếp đến là các dữ kiện cần thiết cho bài toán và độ tin cậy hay sai số của phương pháp. Do phụ tải điện mang đặc tính ngẫu nhiên, nên quá trình phân tích phụ tải thường dựa trên cơ sở lý thuyết xác suất thống kê, kết hợp với đặc điểm công ngh ệ c ủa các thiết bị tiêu thụ điện. Nhìn chung tất cả các phương pháp tính toán phụ tải điện có thể phân thành các nhóm sau: 2.2.1. Phương pháp phân tích Các phương pháp phân tích về nguyên tắc dựa trên các đặc điểm công nghệ của quá trình sản xuất và chế độ làm việc của các thi ết b ị điện có xét đến các quy luật ngẫu nhiên của phụ tải. Có rất nhi ều nhân tố ảnh hưởng đến quá trình tiêu thụ điện, vì vậy quá trình phân tích ph ụ tải điện hết sức phức tạp, việc xác định phụ tải tính toán với độ chính xác cao, đòi hỏi nhiều dữ liệu và khối lượng tính toán lớn. Đ ể đ ơn gi ản hóa bài toán, các phương pháp phân tích xác định phụ tải điện được áp dụng với một số giả thiết, mà có thể dẫn đến những sai số nh ất định. Nhóm các phương pháp phân tích bao gồm: 2.2.1.1. Xác định phụ tải theo phương pháp hệ số đồng thời Với đặc tính ngẫu nhiên, các hộ dùng điện không phải lúc nào cũng được đóng trong mạng, mà ở từng thời điểm nhất định m ột số này 24
được đóng, số khác lại được cắt ra. Tính chất này của ph ụ tải được biểu thị bởi hệ số đồng thời k đt. Phụ tải tính toán được xác định theo biểu thức: n Ptt = k đt ∑ Pni (2.22) i =1 Trong đó: Pni – công suất định mức của thiết bị điện thứ i; kđt – hệ số đồng thời, phụ thuộc vào số lượng thiết b ị tiêu th ụ đi ện trong mạng. Giả sử trong nhóm n thiết bị ở thời điểm xét có m thụ điện được đóng vào lưới thì hệ số đồng thời có thể xác định theo biểu thức: m ∑P ni k đt = i =1 ; (2.23) n ∑P ni i =1 m – số lượng thiết bị đang làm việc n – tổng số thiết bị có trong nhóm. Đối với nhóm thụ điện đồng nhất (nhóm thiết bị có công suất và chệ độ tiêu thụ điện giống nhau), hệ số đồng thời có thể xác định theo công thức: m k đt = ; (2.24) n Trong thực tế các thụ điện đóng vào lưới một cách ngẫu nhiên. Cho nên việc xác định hệ số đồng thời chỉ có thể dựa trên quan điểm xác suất thống kê. Với các đặc số: kỳ vọng toán M(m) = np và phương sai D(m) = npq, trong đó: p là xác suất đóng trung bình trong thời gian khảo sát; q =1- p là xác suất không đóng của thiết bị. Khi số lượng n khá lớn có thể coi sự phân bố của phụ t ải tuân theo quy luật phân bố chuẩn, lúc đó xác suất đóng m thiết bị vào lưới được xác định theo biểu thức: ( m − M ( m )) 2 1 m− dm ; (2.25) = pnm ) ( 2.σ 2 ∫e σ 2π 0 25
Theo quy tắc β-xích ma (quy tắc ba xích ma mở rộng) ta có giá trị cực đại của số lượng m thụ điện đóng trong mạng là m = M(m) + βtσ σ - độ lệch trung bình bình phương: σ = D(m) = npq ; βt - Bội số tản hay độ lệch qui định (còn gọi là hệ s ố th ống kê), ph ản ánh xác suất phụ tải nhận giá trị trong lân cận kỳ vọng toán ± βtσ. Trong tính toán phụ tải giá trị βt thường được lấy trong khoảng 1,5÷ 2,5. Như vậy: m = np + βt npq ; Chia hai vế của phương trình này cho n ta được p.q k đt = p + β t ; (2.26) n Đây là biểu thức cho phép xác định hệ số đồng thời theo các đặc tính xác suất thống kê. Để đơn giản cho việc thi ết k ế, ng ười ta tính s ẳn giá trị của hệ số đồng thời phụ thuộc vào số lượng thụ điện, ứng với một xác suất đóng nhất định nào đó cho trong các sổ tay thiết k ế. C ần lưu ý là hệ số đồng thời được xác định ứng với từng thời điểm cụ thể, thường là giờ cao điểm ban đêm và cao điểm ban ngày. 2.2.1.2. Xác định phụ tải theo phương pháp hệ số nhu cầu Phụ tải tính toán được xác định theo biểu thức: n Ptt = knc ∑ Pni (2.27) i =1 Hệ số nhu cầu được biểu thị bởi tỷ số giữa công suất tính toán và công suất định mức của nhóm thiết bị dùng điện. Ptt PM k nc = = ; (2.28) Pn Pn Trước hết ta xét nhóm thụ điện đồng nhất. Theo lý thuyết xác suất thống kê, công suất cực đại có thể biểu diễn thông qua các giá trị c ủa tập quan sát. PM = Ptb + βt σ X ; (2.29) Ptb- Kỳ vọng toán hay giá trị trung bình của phụ tải; σ X - Độ lệch tiêu chuẩn hay độ lệch trung bình bình ph ương của tập tổng quát; 26
Giá trị công suất trung bình được xác định theo biểu thức: n Ptb = k sdΣ ∑ Pni ; (2.30) i =1 Trong đó: ksdΣ - hệ số sử dụng tổng hợp của nhóm thiết bị điện, xác định theo bi ểu thức: n ∑ Pni k sdi k sd∑ = i =1n (2.31) ∑ Pni i =1 ksdi – hệ số sử dụng của thiết bị thứ i Đối với nhóm thụ điện đồng nhất thì P1 = P2 = ... = Pn và σ1 = σ2 = ... = σn. 1 n Ta thấy σ X = D( X ) mà X = n i∑1 xi nên ta có thể viết : 2 i= σ2 1n 1n 1 .∑ x i ) = 2 .∑ D ( xi ) = 2 n.σ 2 = D( x ) = D ( ni i =1 n n i =1 n σ σX = Hay ; n Thay các giá trị tương ứng với một số biến đổi đơn giản ta được: β tσ n PM = k sdΣ ∑ Pni + ; (2.32) n i =1 Thay σ = kv Ptb (trong đó kν là hệ số biến động của phụ tải) và chia 2 vế (2.32) cho tổng công suất định mức ΣPni và sau một vài biến đổi ta được: 1 − k sdΣ k nc = k sdΣ + (2.33) n Đối với nhóm tiêu thụ điện bất kỳ, hệ số nhu cầu cũng xác định tương tự nhưng thay giá trị của số lượng tiêu th ụ điện n b ằng giá tr ị hiệu dụng nhd, tức là : 1 − k sdΣ k nc = k sdΣ + ; (2.34) n hd Trong đó: nhd – số lượng hiệu dụng của nhóm thiết bị điện, có thể xác định theo biểu thức: 27
(∑ Pni ) 2 ; (1.35) n hd = ∑P 2 ni P Nếu số lượng thụ điện n > 4 và giá trị của tỷ s ố k = P nhỏ hơn các giá max min trị kb cho trong bảng 2.4, ứng với hệ số sử dụng tổng h ợp, thì có th ể l ấy giá trị nhq= n. Bảng 2.4. Điều kiện để xác định nhd 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 > 0,8 ksd∑ K0 g.hạn kb 3 3,5 4 5 6,5 8 10 Trong trường hợp ksd∑ < 0,2 thì cần tiến hành xác định n hd theo một phương pháp riêng như sau: - Phân riêng các thiết bị có công suất lớn hơn một ph ần hai công su ất của thiết bị lớn nhất trong nhóm, Pmax Pi ≥ ; 2 - Xác định số lượng thiết bị n1 của nhóm này. - Xác định tổng công suất định mức của nhóm n1 thiết bị - Tìm các giá trị tương đối n1 ∑ ni P n1 P = i =1 n* = và * n ; (2.36) n ∑ P nj j =1 - Xác định giá trị tương đối n*hq theo biểu thức 0,95 nhd = * P*2 (1 − P* ) 2 ; (2.37) + 1 − n* n* - Xác định số lượng hiệu dụng nhd = n*hd.n (2.38) 2.2.1.3. Xác định phụ tải theo phương pháp hệ số tham gia vào cực đại Phụ tải tính toán được xác định theo biểu thức: n −1 Ptt .Σ = Ptt .M + ∑ ktMi Ptt.i , (2.39) 1 Trong đó: 28
Рtt..M – giá trị phụ tải tính toán lớn nhất trong các nhóm thiết bị được cung cấp từ tủ phân phối; Рtt.i, – giá trị phụ tải tính toán của nhóm thứ i (trừ nhóm lớn nhất); n – số nhóm tải. ktMi – hệ số tham gia vào cực đại của nhóm thiết bị thứ i. Hệ số tham gia vào cực đại là tỷ số giữa công suất tiêu thụ của thiết bị hoặc nhóm thiết bị ở giờ cao điểm và công suất cực đ ại c ủa chúng (hình 2.3). PMt ktM = ; (2.40) PM Pmt -Công suất tiêu thụ ở giờ cao điểm của hệ thống; PM - Công suât cực đại của nhóm thiP t bị. ế 1 2 PM Hình 2.3. Đồ thị phụ tải của hệ thống (1) và của nhóm thiết bị dùng điện (2) PMt 2.2.2. Phương pháp mô phỏng 0 tc 24 h Sự phức tạp và tính phi tuyến của các bài toán cung cấp điện dẫn đến việc áp dụng phương pháp mô phỏng các quá trình ngẫu nhiên. Phương pháp này được xây dựng trên cơ sở kết hợp lý thuyết xác suất thống kê và ph ương pháp luận của việc tính toán phụ tải. Cơ sở của phương pháp là dựa trên quy luật phân bố nhiệt độ đốt nóng dây dẫn gây ra bởi dòng điện phụ tải. Do sự phức tạp của quá trình phân bố nhiệt, nên để đơn giản hóa cho việc xây dựng mô hình, cần đưa ra một số giả thiết sau: - Nhiệt độ tại điểm bất kỳ của tiết diện mặt cắt dây dẫn coi như không đổi dọc theo chiều dài đường dây; - Dây dẫn được coi là đồng nhất với nhiệt trở trong bằng không. Với những giả thiết như vậy phương trình cân bằng nhiệt đối với dây cáp ba pha đặt trần trong nhà được biểu thị theo biểu thức: 3I2 R0(1+αθ.θ)dθ = C.dθ + A. θ.dt, (2.41) Trong đó: R0 – điện trở của dây dẫn ở nhiệt độ 20°С , Ω ; θ - nhiệt độ đốt nóng dây dẫn, 0C; 29
αθ - hệ số nhiệt điện trở, 1/°С; C - tỷ nhiệt, J/°С; A - hệ số trao đổi nhiệt, tính đến lượng nhiệt tỏa ra môi trường xung quanh theo các phương thức dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ W/°С . Từ biểu thức (2.41) ta nhận được phương trình quá nhiệt của dây dẫn so với nhiệt độ của môi trường xung quanh là: αR C dθ 3R + (1 − 3 θ 0 I 2 )θ = 0 I 2 (t ) (2.42) A dt A A Các kết quả khảo sát cho thấy sự gia tăng của h ệ s ố truy ền nhi ệt trung hòa sự gia tăng đồng thời của điện trở R=R 0(1+αθ.θ). Bởi vậy trong phương trình (2.42) với sai số cho phép đối với dòng điện tính toán I có thể coi αθ ≈ 0 và A ≈ const = A0. Khi đó biểu thức (2.42) có dạng: dθ 3R + θ = 0 I 2 (t ) , T (2.43) dt A0 dθ + θ = kθ I 2 (t ) , (2.44) T dt Trong đó: T = C/A0 – hằng số thời gian đốt nóng dây dẫn; 3R0 kθ = ; (2.45) A0 Như vậy cùng với các giả thiết trên sẽ có hai đại lượng không phụ thuộc vào nhiệt độ đốt nóng là hằng số thời gian đốt nóng và điện trở tác dụng. Ở chế độ xác lập, khi nhiệt độ không thay đổi đáng kể, thì các giả thiết này sẽ không dẫn đến những sai số đáng kể. Để tiện tính toán ta đặt: θ (t ) ZT = kθ , (2.46) Như vậy biểu thức (2.44) sẽ có dạng: dZ T (t ) + Z T (t ) = I 2 (t ) (2.47) T dt Hay áp dụng cho biểu đồ phụ tải nhóm P(t), dZ PT (t ) + Z PT (t ) = P 2 (t ) (2.48) T dt Đại lượng ZT(t) được gọi là liều lượng hâm nóng tính theo dòng ZPT(t), (hoặc tính theo công suất ZPT(t)), tỷ lệ với nhiệt độ đốt nóng dây dẫn và có thứ nguyên là bình phương phụ tải. Các dữ kiện ban đầu 30
để xác định phụ tải tính toán là các quá trình thay đổi của phụ tải điện. Để xây dựng mô hình phụ tải người ta áp dụng lý thuyết hàm ngẫu nhiên và thông lượng xung (impulsive flux). Tính chu kỳ của sự biến đổi của phụ tải được hình thành khi các thiết bị tiêu th ụ làm việc với quá trình công nghệ nhất định. Việc nghiên cứu biểu đồ phụ tải này có ý nghĩa lý thuyết rất lớn. P P P P0 t tl t0 v Mô hình biểu đồ phụ tHình 2.4. Môphình ẫu nhiên cầải phải được cho ải độc lậ ng xung của phụ t n trước các đại lượng: Công suất tác dụng, hệ số sử dụng k sd=Ptb/Pn và hệ số mang tải kmt=P/Pn, hệ số công suất phản kháng tg ϕ, dạng và tham số của hàm hồi quy (HQ), thời gian trung bình của chu kỳ xét. Trong đó: Ptb – công suất tiêu thụ trung bình trung chu kỳ xét; P – công suất tiêu thụ trung bình trong thời gian đóng điện, P n – công suất định mức của thiết bị. Hệ số làm việc (hệ số đóng) klv= tlv/tck hay klv=ksd/kmt và hệ số không làm việc (hệ số cắt) kklv=1-klv chính là xác suất thiết bị ở trạng thái đóng và trạng thái cắt. Đặc tính tác động xung của phụ tải được thể hiện với hai cấp: xung của công suất P=k sd.Pn tác động trong thời gian t lv = ksd.tck/kmt và đại lượng không tải P0 = 0 tác động trong thời gian t0= tck - tlv. Hệ số hình dạng đồ thị, là tỷ số giữa công suất hiệu dụng và công suất trung bình kf=Pe/Ptb, biểu thị sự không đồng đều của đồ thị phụ tải. Trong thực tế các thiết bị điện làm việc với một vài chu kỳ, nhưng không hoàn toàn cứng nhắc.Vì vậy hàm hồi quy của phụ tải độc l ập có th ể biểu thị dưới dạng: k(t) = Dp e-α|t| cos ωοτ, (2.49) Trong đó: Dp –phương sai của đồ thị phụ tải độc lập; α –hệ số hồi quy, s-1; ωο – tần số của thành phần chu kỳ, s-1. 31
Hệ số hồi quy có thể xác định với sự trợ giúp của các công nghệ phần mềm tính toán, trong đó phụ tải tính toán đ ược bi ểu th ị d ưới d ạng quá trình xung: Dp = Р2n ksd (kmt – ksd), (2.50) 2 k mt α= (2.51) k sd (k mt − k sd )t ck ωо =2π / tck. . (2.52) Biểu đồ nhóm của phụ tải Đối với một nhóm gồm n thiết bị dùng điện với biểu đồ phụ tải chu kỳ, thì tính chu kỳ của đồ thị sẽ bị trung hòa . Bởi vậy hàm hồi quy của đồ thị phụ tải nhóm được biểu thị dưới dạng: k(t) = DP e-α|t|, (2.53) Trong đó: DР – phương sai của đồ thị nhóm. Mô hình biểu đồ nhóm dạng hồi quy mũ cho phép có một dự trữ nhất định trong bài toán xác định phụ tải. Xét quy luật phân bố tung độ của biểu đồ nhóm, biểu thị phụ tải độc lập dưới dạng quá trình xung, áp dụng lý thuyết thực nghiệm lặp lại để tính phụ tải nhóm. Số lượng thiết bị dùng điện làm việc đồng thời và phụ tải nhóm với các đại lượng giống nhau của các xung của tất cả các thiết bị coi là tuân theo quy lu ật phân bố nhị thức. Thường thì các giá trị xung của các thiết bị độc l ập khác nhau, trong trường hợp đó quy luật phân bố phụ tải đ ược g ọi là “liên hợp”. Các kết quả nghiên cứu đã chứng minh là quy luật phân bố chuẩn của phụ tải có thể coi phù hợp đối với đường trục có trên 6 h ộ dùng điện. Thuật toán của phương pháp mô phỏng xác định phụ tải gồm các bước sau: - Mô phỏng quần thể biểu đồ nhóm của dòng điện phụ tải I(t) hoặc công suất tác dụng P(t); - Tính toán liều lượng hâm nóng ZT(t) hoặc (ZPT(t)) theo tích phân Dumel: t Z T (t ) = I 2 (0).h(t ) + ∫ [ I 2 (ξ )]t h(t − ξ )dξ (2.54) 0 Trong đó: h(t) = 1 – e-t/T– hàm quá độ của khâu quán tính. 32
- Xác định hàm thống kê phân bố liều lượng hâm nóng theo ti ết diện quần thể ZT(t) (ZPT(t)), được lấy ứng với chế độ xác lập (sau khi tắt của quá trình quá độ đốt nóng dây dẫn tại thời điểm tck); - Xác định giá trị cực đại tính toán của liều lượng hâm nóng Z T(t) hoặc (ZPT(t)) với giá trị xác suất giới hạn E x cho trước tương ứng với nguyên lý tin cậy thực tế theo hàm th ống kê phân b ố li ều l ượng hâm nóng ZT(t), hoặc ZPT(t) (giá trị mà có thể tăng quá với xác suất 0,05). F(ZT.tt) = 1 - Ex hoặc F(ZPT.tt) = 1 - Ex ; (2.55) - Xác định phụ tải tính toán theo dòng điện I tt = Z T .tt hoặc theo công suất Ptt = Z PT .tt Biểu thức xác định phụ tải tính toán có dạng: Ptt = Z TP .tt (2.56) , Z T .tt = Z T .tb + β ZT D( Z T ) Trong đó: ZT.tt – liều lượng hâm nóng tính toán ; ZТ.tb – giá trị trung bình của liều lượng hâm nóng; βzт – hệ số thống kê, phụ thuộc vào độ chính xác của phép tính. D(ZT) – phương sai của đại lượng ZTP Giá trị trung bình của liều lượng hâm nóng ZT.tb không phụ thuộc vào hằng số thời gian đốt nóng và bằng bình phương giá trị hiệu dụng của biểu đồ nhóm, có thể là phụ tải tính toán bằng giá trị hi ệu d ụng. Theo quy luật phân phối chuẩn, phương sai của liều l ượng hâm nóng D(ZT) được xác định theo biểu thức: 2 2 D( P 2 ) 4 Ptb .D( P) (2.57) D( Z T ) = + 1 + 2α .T 1 + α .T Giá trị chính xác của hệ số thống kê βzт có thể xác định bằng phương pháp mô phỏng theo quy luật phân bố liều lượng hâm nóng (trong thực tế nó thường nằm trong khoảng βzт=1,76÷ 1,97). Thủ tục xác định phụ tải tính toán theo phương pháp liều lượng hâm nóng gồm các bước: - Xác định giá trị trung bình của biểu đồ nhóm và liều lượng hâm nóng; - Xác định hệ số hình dạng kf của biểu đồ nhóm; - Xác định tham số hồi quy tương đương của biểu đồ nhóm; 33
Xác định phương sai liều lượng hâm nóng theo biểu thức (2.56); - - Xác định hệ số thống kê theo biểu thức: βzт=-0,3+1,9.kf; (2.58) - Xác định phụ tải tính toán theo biểu thức (2.56), coi βzт=βzтк.. Để có thể nhận được biểu đồ nhóm của phụ tải cần mô ph ỏng nhiều biểu đồ phụ tải tác dụng và phản kháng độc lập. Biểu đồ nhóm của phụ tải tác dụng và phản kháng nhận được bằng cách cộng các biểu đồ độc lập tương ứng. Theo biểu đồ nhóm của phụ tải tác dụng và phản kháng xác định biểu đồ nhóm của công suất toàn phần. Phương pháp mô phỏng có độ chính xác cao, nhưng có nh ược điểm cơ bản của phương pháp này là khối lượng tính toán l ớn, th ời gian thực hiện tính toán lâu. Nhìn chung phương pháp này chỉ áp dụng trong quá trình nghiên cứu. 2.2.3. Phương pháp thực nghiệm Các biểu thức thực nghiệm được xây dựng trên cơ sở kết quả khảo sát ở một số mạng điện cụ thể. Để xác định phụ tải theo các phương pháp thực nghiệm đòi hỏi phải có các thông tin về đặc tính c ủa các thiết bị tiêu thụ điện hoặc suất chi phí điện năng của một đơn v ị s ản phẩm. Các phương pháp cơ bản này bao gồm: 2.2.3.1. Phương pháp hệ số nhu cầu và hệ số đồng thời Như đã biết, trong phương pháp hệ số nhu cầu phụ tải của mạng điện động lực được xác định theo biểu thức: Рtt=kncΣРni=constΣРni. (2.59) Phụ tải của mạng điện sinh hoạt được xác định tương t ự theo h ệ s ố đồng thời: Рtt=kđtΣРni=constΣРni. (2.60) Trong đó: ΣРni – tổng công suất đặt của nhóm thiết bị điện; Pni – công suất định mức của thiết bị thứ i; Khác với phương pháp phân tích, ở đây các hệ số nhu cầu knc và hệ số đồng thời kđt được coi là hằng số. Giá trị của các h ệ số này được xác định trên cơ sở số liệu thống kê của các tập mẫu và cho trong các ph ụ lục thiết kế mạng điện (xem bảng 1pl ÷ 4pl phần phụ lục). Cách xác định phụ tải tính toán như vậy cho phép đơn giản hóa bài toán, tuy nhiên 34
cũng thường dẫn đến sai số lớn. Nhìn chung các phương pháp th ực nghiệm được áp dụng trong quá trình tính toán thiết kế sơ bộ. 2.2.3.2. Phương pháp đa thức Các kết quả khảo sát cho thấy giá trị phụ tải cực đại cục bộ của thiết bị điện công suất lớn ở cùng một chế độ làm việc lớn hơn so với thiết bị có công suất nhỏ, vì không chỉ phụ tải trung bình của nó lớn hơn, mà còn do giá trị lớn của hệ số cực đại cục bộ. Trên cơ sở đó các chuyên gia đã áp dụng đa thức thực nghiệm cho việc tính toán phụ tải dạng: Рtt =с1Рn1+с2Рn2+ +стРn.т, (2.61) Trong đó: Рn1 –công suất của n1 thiết bị lớn nhất; Pn2 –công suất của n2 lớn nhì và v.v; Pn.m – công suất của nn thiết bị nhỏ nhất. с1, с2, ,ст –các hệ số hồi quy, biểu thị chế độ tiêu thụ chung của tất cả các thiết bị trong nhóm. Trong một số các trường hợp để đơn giản hóa bài toán, tất c ả các thiết bị điện chỉ chia thành hai nhóm và nh ư vậy biểu th ức xác đ ịnh ph ụ tải tính toán chỉ gồm hai số hạng: Рtt=bРn1+cРn2 (2.62) Trong đó: Рn1 –công suất của n1 thiết bị lớn nhất trong nhóm; Рn2 –công suất của các thiết bị còn lại; b, c – các hệ số hồi quy, biểu thị chế độ tiêu thụ chung của tất cả các thiết bị trong nhóm. Nhược điểm cơ bản của các phương pháp thực nghiệm là hạn chế phạm vi ứng dụng, vì các phương pháp thực nghiệm chỉ có th ể áp dụng cho các xí nghiệp được khảo sát. Các phương pháp này không xét đ ến các quá trình hoàn thiện công nghệ của thiết bị. Ưu điểm của phương pháp thực nghiệm là đơn giản, khối lượng tính toán ít, có thể áp dụng các bảng biểu tính s ẵn c ủa các h ệ s ố nhu cầu, hệ số đồng thời v.v. nên rất tiện cho các bài toán thiết kế sơ bộ. 2.3. Trình tự xác định phụ tải tính toán 2.3.1. Sơ đồ tính toán phụ tải 35