Đánh giá các thông số của chỉnh lưu và nghịch lưu trên hệ thống HVDC trong chế độ hoạt động bình thường

Với ưu điểm của HVDC giảm tổn thất công suất trên đường dây truyền tải so với truyền tải điện xoay chiều cùng cấp điện áp, điều này dẫn đến chi phí tổn thất điện năng của hệ thống HVDC s

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hà Nội – Năm 2014

MỤC LỤC

Trang Trang phụ bìa

LỜI CAM ĐOAN 4

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6

DANH MỤC CÁC BẢNG 9

MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI ĐIỆN 13

CAO ÁP MỘT CHIỀU (HVDC) 13

1.1 Lịch sử phát triển công nghệ HVDC 13

1.2 Một số hệ thống HVDC điển hình trên thế giới 15

1.2.1 HVDC+/-600kV Itaipu (Paraguay) – Sao Paulo (Brazil) 15

1.2.2 HVDC 350kV Leyte – Luzon, Philipines 16

1.3 Ưu - nhược điểm và ứng dụng của hệ thống HVDC 17

1.3.1 Ưu điểm của hệ thống HVDC 17

1.3.2 Nhược điểm của hệ thống HVDC 18

1.3.3 Một số ứng dụng phổ biến của hệ thống truyền tải HVDC 19

1.4 KẾT LUẬN 20

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO CỦA HỆ THỐNG HVDC 21

2.1 Nguyên lý chung của hệ thống HVDC 21

2.2 Cấu tạo của hệ thống HVDC 21

2.2.1 Bộ biến đổi 22

2.2.2 Trạm biến áp 24

2.2.3 Các bộ lọc xoay chiều 24

2.2.4 Các bộ lọc một chiều 25

2.2.5 Cuộn san dòng 25

2.2.6 Nguồn công suất phản kháng 25

2.2.7 Đường dây truyền tải của hệ thống HVDC 25

2.2.8 Hệ thống nối đất 26

2.2.9 Hệ thống điều khiển và bảo vệ 26

2.3 Một số sơ đồ truyền tải điện cao áp một chiều 27

2.3.1 Hệ thống truyền tải HVDC liên kết đơn cực 27

2.3.2 Hệ thống truyền tải HVDC liên kết lưỡng cực 28

2.3.3 Hệ thống truyền tải HVDC đồng cực tính 29

2.4 Chỉnh lưu trong hệ thống HVDC 29

2.4.1 Sơ đồ nối dây và nguyên lý làm việc 29

2.4.2 Mạch điều khiển bộ chỉnh lưu 34

2.5 Nghịch lưu trong hệ thống HVDC 36

2.5.1 Khái niệm chung 36

2.5.2 Nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu sử dụng thyristor 37

2.6 Điều khiển hệ thống HVDC 41

2.6.1 Nguyên lý cơ bản của điều khiển 41

2.6.2 Các phương cách điều khiển cơ bản 41

2.6.3 Cơ sở để lựa chọn điều khiển 42

2.6.4 Các đặc tính điều khiển 43

2.7 KẾT LUẬN 47

CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ THÔNG SỐ ĐIỀU KHIỂN HVDC

BẰNG MATLAB - SIMULINK 48

3.1 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng Matlab 48

3.1.1 Giới thiệu chương trình MATLAB 48

3.1.2 Tìm hiểu về SIMULINK 50

3.1.3 Cách khởi tạo Simulink và vẽ sơ đồ mô phỏng 51

3.1.4 SimPowerSystems 52

3.2 Mô hình mô phỏng hệ thống HVDC trên Matlab - Simulink 55

3.2.1 Giới thiệu sơ đồ mô phỏng hệ thống HVDC 55

3.2.2 Mô tả hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều HVDC 55

3.3 Kết quả mô phỏng, đánh giá các thông số điều khiển 63

3.3.1 Đồ thị dạng sóng điện áp và dòng điện đầu vào của bộ chỉnh lưu và

nghịch lưu 63

3.3.2 Kết quả mô phỏng điện áp và dòng điện trên khối chỉnh lưu và nghịch lưu 65

3.4 KẾT LUẬN 74

Chương 4:

SO SÁNH GIỮA TRUYỀN TẢI NĂNG LƯỢNG BẰNG ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI HVDC VÀ ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI XOAY CHIỀU 76

4.1 Cấp điện áp truyền tải 76

4.2 Công suất và tổn thất truyền tải 78

4.2.1 Công suất truyền tải 78

4.2.2 Tổn thất công suất 78

4.3 So sánh về chi phí xây dựng và vận hành 79

4.3.1 Ảnh hưởng của công suất và khoảng cách truyền tải 79

4.3.2 Ảnh hưởng của các yếu tố khác 83

4.3.3 Vốn đầu tư xây dựng hệ thống 85

4.4 KẾT LUẬN 86

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

PHỤ LỤC 1 89

PHỤ LỤC 2 90

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, những vấn đề được trình bày trong luận văn này là nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, các kết quả tính toán trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ một tài liệu nào Có tham khảo một số tài liệu và bài báo của các tác giả trong và ngoài nước đã được xuất bản Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu có sử dụng lại kết quả của người khác

Tác giả

Trần Quốc Trọng

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AC : Xoay chiều B-B : Trạm Back to Back CSI : Current source Inverter

DC : Một chiều HVDC : Hight voltage Direct Current HVAC : Truyền tải điện cao áp xoay chiều HTĐ : Hệ thống điện

SIL : Công suất tự nhiên

TĐ : Thủy điện VSI : Voltage source Inverter

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Bản đồ vị trí tuyến HVDC +/- 600kV Itaipu - Sao Paulo 16

Hình 1.2: Bản đồ vị trí tuyến HVDC 350kV Leyte - Luzon, Philipines 16

Hình 1.3: Cấu trúc đường dây truyền tải HVDC và AC-500 kV/2000 MW 18

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống truyền tải điện HVDC 21

Hình 2.2: Cấu trúc hệ thống HVDC 22

Hình 2.3: Cấu trúc bộ biến đổi 12 xung 22

Hình 2.4: Hệ thống truyền tải HVDC liên kết đơn cực 27

Hình 2.5: Hệ thống truyền tải HVDC liên kết lưỡng cực 28

Hình 2.6: Hệ thống truyền tải HVDC liên kết đồng cực 29

Hình 2.7: Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha dùng điốt 31

Hình 2.8: Dạng sóng đầu ra của mạch chỉnh lưu cầu dùng điốt 31

Hình 2.9: Sơ đồ chỉnh lưu thyristor cầu ba pha 32

Hình 2.10: Dạng sóng đầu ra của bộ chỉnh lưu thyristor cầu ba pha 33

Hình 2.11: Sơ đồ chế độ nghịch lưu của chỉnh lưu có điều khiển 33

Hình 2.12: Dạng sóng và điện áp phía nguồn nhận 34

Hình 2.13: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính 34

Hình 2.14: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” 34

Hình 2.15: Sơ đồ mạch điều khiển phát xung 35

Hình 2.16: Sơ đồ tổng quan về một kênh điều khiển Thyristor 35

Hình 2.17: Sơ đồ điều khiển kiểu đệm xung điều khiển 36

Hình 2.18: Mạch điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha 36

Hình 2.19: Cấu hình hoạt động của bộ nghịch lưu 37

Hình 2.20: Bộ nghịch lưu một pha cung cấp từ lưới điện 38

Hình 2.21: Điện áp và dòng điện trên các thyristor 38

Hình 2.22: Sơ đồ nghịch lưu cầu ba pha được cung cấp từ lưới điện 39

Hình 2.23: Dạng sóng điện áp bộ nghịch lưu cầu ba pha cung cấp từ lưới điện 40

Hình 2.24: Kết nối HVDC và trắc đồ điện áp 41

Hình 2.25: Đặc tính xác lập V-I lý tưởng 44

Hình 2.26: Đặc tính điều khiển xác lập thực tế của bộ biến đổi 45

Hình 2.27: Vận hành với mỗi bộ biến đổi có kết hợp các đặc tính chỉnh lưu

và nghịch lưu 46

Hình 3.1: Giao diện biểu tượng của MATLAB (Version 7.0) 49

Hình 3.2: Giao diện cửa sổ lệnh của MATLAB khi khởi động xong 49

Hình 3.3: Giao diện cửa sổ đồ thị của MATLAB 50

Hình 3.4: Cách vào toolbox SIMULINK trong MATLAB 51

Hình 3.5: Màn hình cửa sổ thư viện SIMULINK 51

Hình 3.6: Thư viện chính trong SimPowerSystems 53

Hình 3.7: Thư viện khối nguồn trong SimPowerSystems 53

Hình 3.9: Sơ đồ hệ thống truyền tải HVDC 12 - xung 1000 MW

(500kV-2kA) 50/60 Hz 55

Hình 3.10: Khối điều khiển và khối bảo vệ bộ chỉnh lưu 56

Hình 3.11: Khối điều khiển và khối bảo vệ bộ nghịch lưu 57

Hình 3.12: Bộ lọc xoay chiều AC phía 500kV, 60Hz 58

Hình 3.13: Bộ lọc xoay chiều AC phía 345kV, 50Hz 58

Hình 3.14: Đặc tính hoạt động của bộ chỉnh lưu và nghịch lưu 60

Hình 3.15: Đặc tính điều khiển điện áp UDCOL ; Id_ref = f (UDL) 61

Hình 3.16: Sơ đồ mô phỏng điện áp, dòng điện đầu vào bộ chỉnh lưu 63

Hình 3.17: Kết quả mô phỏng, a Điện áp Uabc, b Dòng điện Iabc

đầu vào bộ chỉnh lưu 63

Hình 3.18: Sơ đồ mô phỏng điện áp, dòng điện đầu ra bộ nghịch lưu 64

Hình 3.19: Kết quả mô phỏng, a Điện áp Uabc, b Dòng điện Iabc

đầu vào bộ nghịch lưu 64

Hình 3.20: Hộp thoại thông số điều khiển của bộ chỉnh lưu 65

Hình 3.21: Sơ đồ kết nối với máy hiển sóng của bộ chỉnh lưu 65

Hình 3.22: Kết quả mô phỏng phía chỉnh lưu; a Đồ thị điện áp, b dòng điện, c góc mở α của thyristor, d lệnh điều khiển 66

Hình 3.23: Sơ đồ kết nối với máy hiển sóng của bộ nghịch lưu 67

Hình 3.24: Hộp thoại các thông số điều khiển của bộ nghịch lưu 67

Hình 3.25: Kết quả mô phỏng phía nghịch lưu; a Đồ thị điện áp, b dòng điện,

c góc mở α của thyristor, d lệnh điều khiển, e góc tắt 68

Hình 3.26: Hộp thoại thay đổi các thông số điều khiển của bộ chỉnh lưu 70

Hình 3.27: Hộp thoại thay đổi các thông số điều khiển nghịch lưu 70

Hình 3.28: Kết quả mô phỏng phía chỉnh lưu khi thay đổi thông số điều khiển

a Đồ thị điện áp, b dòng điện, c góc mở α của thyristor, d lệnh điều khiển 71

Hình 3.29: Kết quả mô phỏng phía nghịch lưu khi thay đổi thông số điều khiển

a Đồ thị điện áp, b dòng điện, c góc mở α của thyristor, d lệnh điều khiển 72

Hình 4.1: Truyền tải năng lượng bằng dòng điện xoay chiều 76

Hình 4.2: Truyền tải năng lượng bằng dòng điện một chiều 76

Hình 4.3: Tổn thất công suất trong truyền tải điện năng bằng dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều theo khoảng cách truyền tải 79

Hình 4.4: Tổn thất vầng quang theo độ cao và tổn thất truyền tải theo chiều dài 82

Hình 4.5: Chi phí đầu tư khi P = 3500 MW 82

Hình 4.6: Chi phí đầu tư khi P = 10.000 MW 83

Hình 4.7: Chiều dài cách điện ở các cấp điện áp khác nhau (Nguồn ABB) 84

Hình 4.8: Mức tăng tương đối về yêu cầu cách điện ở cao độ khác nhau 85

Hình 4.9: Giá thành xây dựng HVDC và HVAC theo khoảng cách truyền tải 85

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Danh sách các dự án truyền tải 1 chiều hiện nay [8] 14Bảng 2.1: Tóm tắt hoạt động của mạch chỉnh lưu cầu ba pha dùng điốt 31Bảng 4.1: So sánh về số mạch truyền tải đối với lượng công suất 8 GW và 12 GW 81

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Ngày nay, truyền tải điện cao áp một chiều (Hight voltage Direct Current - HVDC) là một thành phần không thể thiếu trong hệ thống truyền tải của nhiều quốc gia trên thế giới Với ưu điểm của HVDC giảm tổn thất công suất trên đường dây truyền tải so với truyền tải điện xoay chiều cùng cấp điện áp, điều này dẫn đến chi phí tổn thất điện năng của hệ thống HVDC sẽ thấp hơn truyền tải điện xoay chiều Mặt khác hệ thống dùng cấu trúc chuyển đổi mạch điều khiển chỉnh lưu-nghịch lưu

6 xung sử dụng Thyristor, kết hợp mạch lọc, để loại trừ các sóng hài bậc 5 và bậc 7 Đều này có ý nghĩa lớn đến việc cải thiện chất lượng hệ thống HVDC

Với sự phát triển như vũ bão của kỹ thuật điện tử, khoa học máy tính, các bộ biến đổi bán dẫn công suất lớn như thyristror, IGBT… ngày càng được ứng dụng trong lĩnh vực biến đổi năng lượng điện có trị số điện áp cao

Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều công trình HVDC đang vận hành Trong

đó một số nước đang vận hành với đường dây truyền tải siêu cao áp một chiều 500kV như: Trung Quốc, Ấn Độ, Mỹ và Canada Chiều dài trung bình của dường dây 1174 km, công suất tải khoảng từ 1500 đến 3000MW Hệ thống HVDC cho phép điều khiển ở mức cao hơn nếu như có sự hỗ trợ của hệ thống điện xoay chiều xung quanh, thì khả năng kiểm soát và điều khiển dòng điện chạy trên đường dây HVDC được nhanh chóng, chính xác bằng cách đặt các tín hiệu lên bộ biến đổi Để biến đổi nguồn DC sang AC (dùng mạch nghịch lưu) và ngược lại AC sang DC (dùng mạch chỉnh lưu) Ở đây hệ thống dùng cấu trúc chuyển đổi mạch điều khiển chỉnh lưu - nghịch lưu 6 xung sử dụng các thyristor

Các thiết bị điện tử công suất được ứng dụng rất nhiều trong hệ thống điện, đặc biệt trong lĩnh vực truyền tải HVDC như các thyristor và điều khiển chế độ làm việc của hệ thống Các thông số điều khiển của bộ chỉnh lưu và nghịch lưu, ảnh hưởng đến sự vận hành liên tục, tin cậy, cũng như chất lượng điện áp của hệ thống

Do đó, tác giả đã chọn đề tài: “Đánh giá các thông số của chỉnh lưu và nghịch lưu trên hệ thống HVDC trong chế độ hoạt động bình thường”

2 Mục đích nghiên cứu

Trên cơ sở lý thuyết và phần mềm mô phỏng, nghiên cứu đánh giá sự làm việc của các thông số của chỉnh lưu và nghịch lưu trên hệ thống HVDC trong chế

độ hoạt động bình thường

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là các thông số của chỉnh lưu và nghịch lưu trên hệ thống HVDC trong chế độ hoạt động bình thường Từ đó, xem xét các giải pháp ứng dụng hệ thống HVDC trong hệ thống điện Việt Nam

3.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

 Tổng quan về công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC)

 Cấu tạo của hệ thống HVDC, các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu

 Đánh giá thông số điều khiển của HVDC bằng Matlab

 So sánh giữa truyền tải năng lượng bằng đường dây truyền tải HVDC và đường dây truyền tải xoay chiều

4 Phương pháp nghiên cứu

Trong luận văn này, tác giả trình bày cơ sở lý thuyết của quá trình biến đổi năng lượng trong truyền tải điện cao áp một chiều, mô hình liên kết năng lượng giữa các hệ thống điện một chiều và hệ thống điện xoay chiều, các đặc điểm thông

số của các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu Sử dụng phần mềm Matlab để đánh giá các thông số của các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu trong chế độ làm việc

5 Cấu trúc của luận văn

Bản luận văn được trình bày gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều

(HVDC)

Chương 2: Cấu tạo của hệ thống HVDC

Chương 3: Đánh giá thông số điều khiển của HVDC bằng Matlab

Chương 4: So sánh giữa truyền tải năng lượng bằng đường dây truyền tải

HVDC và đường dây truyền tải xoay chiều

Để hoàn thành luận văn này, đầu tiên tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành

và lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn khoa học TS.Trần Văn Thịnh, người

đã luôn chu đáo, tận tình và có những nhận xét góp ý, chỉ đạo kịp thời về nội dung

và tiến độ của luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn những nhận xét góp ý, tạo điều kiện thuận lợi

và sự giúp đỡ tận tình của Viện SĐH Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các thầy

cô giáo của Bộ môn Hệ thống điện - Viện Điện - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và bạn bè đồng nghiệp trong quá trình làm luận văn

Mặc dù đã hết sức cố gắng song do thời gian và khả năng còn hạn chế, luận văn còn có thiếu sót và hạn chế, tác giả rất mong nhận được sự đánh giá, góp ý của quý thầy cô giáo và bạn bè đồng nghiệp để hoàn thiện luận văn này

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI ĐIỆN

CAO ÁP MỘT CHIỀU (HVDC)

1.1 Lịch sử phát triển công nghệ HVDC

Thomas Alva Edison (1847-1931) đã phát minh ra điện một chiều, hệ thống truyền tải điện đầu tiên là hệ thống dòng điện một chiều Tuy nhiên, ở điện áp thấp, không thể truyền tải công suất điện 1 chiều đi khoảng cách xa Đầu thế kỷ 20, với

sự phát triển của công nghệ máy biến áp và động cơ cảm ứng, truyền tải điện xoay chiều dần trở nên phổ biến và là lựa chọn ưu tiên của một số quốc gia trên thế giới

Sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, nhu cầu điện năng tăng cao đã khuyến khích nghiên cứu truyền tải điện một chiều, nhất là khi phải truyền tải công suất đi

xa hoặc bắt buộc phải sử dụng cáp ngầm Năm 1950, đường dây truyền tải một chiều thử nghiệm điện áp 200kV, chiều dài 116 km được đưa vào vận hành, tải điện

từ Moscow đi Kasira (Liên Xô cũ) Đường dây cao áp một chiều đầu tiên được đưa vào vận hành thương mại năm 1954 tại Thụy Điển, truyền tải 20 MW điện áp 100

kV, chiều dài 98 km sử dụng cáp ngầm vượt biển nối giữa đảo Gotland và đất liền

Ngày nay, truyền tải dòng điện một chiều điện áp cao là phần không thể thiếu trong hệ thống điện của nhiều quốc gia trên thế giới Truyền tải điện siêu cao

áp một chiều luôn được cân nhắc khi phải tải lượng công suất rất lớn đi khoảng cách

xa, liên kết giữa các hệ thống điện không đồng bộ hoặc xây dựng các đường cáp điện vượt biển Với lượng công suất đủ lớn, khoảng cách đủ xa, truyền tải cao áp một chiều sẽ chiếm ưu thế về chi phí đầu tư và tổn thất truyền tải so với dòng điện xoay chiều 3 pha truyền thống

Trên thế giới đã có nhiều công trình truyền tải HVDC được xây dựng (trong

đó có 33 trạm Back to Back, 46 đường dây truyền tải), có 6 công trình đã được đưa vào vận hành năm 2010 (2 dự án ở Mỹ, 1 Trung Quốc, 1 Na Uy - Hà Lan, 1 Australia và 1 Estonia – Phần Lan)

Hiện có 14 hạng mục đường dây siêu cao áp 1 chiều 500 kV đang vận hành trên thế giới trong đó 5 ở Trung Quốc, 3 ở Ấn Độ, 4 ở Mỹ và Canada Chiều dài

trung bình của 1 đường dây là 1174 km, công suất tải khoảng từ 1500 đến 3000

Khả năng tải (MW)

Điện áp một chiều (kV)

Quy mô công trình B-B/

line/cable (km)

Vị trí công trình

14 DAVID A HAMIL 1977 100 50 B-B U.S.A

Nguồn: Standard Handbook for Electrical Engineers, Fink, Donal G.- Hill Pro Publishing, 2006, page 1015

McGraw-* Chú thích: B-B: trạm Back to Back

Truyền tải điện một chiều cao áp có nhiều thuận lợi hơn truyền tải điện xoay chiều trong một số trường hợp đặc biệt Các thiết bị biến đổi ngày nay có kích thước trở nên gọn và giá thành giảm

Với sự ra đời của thyristor, truyền tải điện HVDC trở nên hấp dẫn hơn Hệ thống HVDC đầu tiên sử dụng thyristor thực hiện năm 1972 gồm nối kết “lưng kề lưng” (back to back) giữa các hệ thống New Brunkswick và Quebec của Canada

1.2 Một số hệ thống HVDC điển hình trên thế giới

1.2.1 HVDC+/-600kV Itaipu (Paraguay) – Sao Paulo (Brazil)

Cho đến thời điểm này, đây là hệ thống truyền tải điện 1 chiều vận hành điện

áp cao nhất thế giới (+/-600 kV) nối thủy điện Itaipu 12600 MW (Paraguay) với thành phố Sao Paulo (Brazil) thông qua 4 mạch DC (2 mạch kép) Hệ thống này hiện thuộc quyền sở hữu của Furnas Centrais Elétricas S.A (Brazil) Pha 1 là đường dây mạch kép vận hành ở cấp 300 kV năm 1984 và nâng lên 600 kV năm 1985 Pha

2 là đường dây mạch kép còn lại vận hành năm 1987 Ban đầu, trạm chuyển đổi

được vận hành với công suất dạng bậc thang sao cho tương ứng với các giai đoạn lắp máy của nhà máy thủy điện [8]

Hình 1.1: Bản đồ vị trí tuyến HVDC +/- 600kV Itaipu - Sao Paulo

Một số thông số kỹ thuật:

- Năm vận hành: 1984 -1987

- Công suất truyền tải: 3150 (mạch 1) + 3150 (mạch 2) = 6300 MW

- Điện áp 1 chiều: +/- 600 kV

- Chiều dài đường dây trên không: 785 km + 805 km

- Lý do chính lựa chọn HVDC: Khoảng cách lớn, 2 hệ thống điện khác tần

số (máy phát tại Itaipu có tần số 50 Hz, nơi nhận Sao Paulo có tần số 60 Hz) Lượng công suất còn lại 6300 MW của TĐ Itaipu được truyền tải về Sao Paulo bằng 3 mạch đường dây xoay chiều 750 kV [9]

1.2.2 HVDC 350kV Leyte – Luzon, Philipines

Hình 1.2: Bản đồ vị trí tuyến HVDC 350kV Leyte - Luzon, Philipines

Dưới sự quản lý của tập đoàn điện lực quốc gia, đường dây HVDC 350 kV truyền tải công suất 440 MW truyền tải qua biển từ nhà máy địa nhiệt trên đảo Leyte tới phía nam đảo Luzon liên kết với hệ thống xoay chiều Ngoài cung cấp công suất cho hệ thống điện chính của Philipines, đường dây HVDC còn tăng cường ổn định hệ thống điện xoay chiều Hệ thống HVDC vận hành 10/08/1998 [9]

Một số thông số cơ bản:

- Công suất truyền tải: 440 MW

- Điện áp 1 chiều: 350 kV

- Chiều dài đường dây trên không: 430 km

- Chiều dài cáp biển: 21 km

1.3 Ưu - nhược điểm và ứng dụng của hệ thống HVDC

1.3.1 Ưu điểm của hệ thống HVDC

Dưới đây là một số lợi ích chính của phương pháp truyền tải điện HVDC so với truyền tải điện xoay chiều truyền thống:

- Có thể truyền tải công suất trên một khoảng cách lớn mà không bị giảm khả năng tải như đường dây xoay chiều (công suất truyền tải giới hạn của đường dây là hàm của khoảng cách truyền tải và giảm mạnh khi khoảng cách truyền tải tăng lên)

- Điều khiển dòng năng lượng rất nhanh, do đó nâng cao độ ổn định, không chỉ đối với các liên kết HVDC mà còn đối với hệ thống xoay chiều bao quanh

- Hướng của dòng năng lượng có thể thay đổi trong thời gian ngắn

- Việc nối liên kết các hệ thống điện bằng đường dây tải điện một chiều sẽ làm hạn chế công suất ngắn mạch trong hệ thống điện liên kết

- Hệ thống HVDC có thể truyền tải công suất lớn hơn đối với cùng một cỡ dây so với hệ thống xoay chiều

- Cùng một công suất truyền tải thì cấp điện áp của đường dây HVDC thấp hơn đường dây AC do đó yêu cầu cách điện cũng đơn giản hơn

- Hành lang tuyến của đường dây truyền tải điện một chiều nhỏ hơn nhiều so với truyền tải điện xoay chiều với cùng công suất truyền tải Tác động môi trường của truyền tải điện một chiều cũng ít hơn

Hình 1.3: Cấu trúc đường dây truyền tải HVDC và AC-500 kV/2000 MW

- Với bộ biến đổi sử dụng GTO (Gate turn off thyristor) hoặc IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor ) cho phép điều khiển dòng công suất tác dụng và phản kháng độc lập

- Cho phép truyền tải điện năng giữa hai hệ thống xoay chiều có tần số khác nhau (liên kết qua lại giữa hai hệ thống xoay chiều khác tần số)

- Hiện nay công nghệ truyền tải điện một chiều khá phổ biến trên thế giới và

có độ tin cậy cao, đã được nghiên cứu và vận hành trên 30 năm

1.3.2 Nhược điểm của hệ thống HVDC

- Giá thành của bộ biến đổi còn cao

- Bộ biến đổi có khả năng chịu quá tải không cao và rất nhạy cảm với nhiệt

- Không có khả năng sử dụng máy biến áp để điều chỉnh điện áp

- Rất phức tạp và tốn kém khi lấy công suất dọc đường dây

- Rất phức tạp trong điều khiển

- Trong công nghiệp hệ thống HVDC tỏ ra cạnh tranh hơn HVAC nếu như khoảng cách truyền tải là  400700km (với đường dây trên không) và trong khoảng 50 km (nếu là cáp ngầm dưới đất hay dưới biển)

- Các nhược điểm về mặt kỹ thuật của hệ thống HVDC chủ yếu liên quan đến vấn đề xử lý sóng hài khá phức tạp, nếu không được lọc tốt có thể ảnh hưởng đến hoạt động của các máy điện xoay chiều, gây nhiễu sóng thông tin liên lạc

1.3.3 Một số ứng dụng phổ biến của hệ thống truyền tải HVDC

Truyền tải HVDC đã được áp dụng trong các trường hợp sau:

1 Cáp ngầm dưới nước có chiều dài hơn 30 km Truyền tải điện xoay chiều

sẽ không thực tế đối với khoảng cách dài do điện dung của cáp lớn đòi hỏi phải có các trạm bù trung gian

2 Nối kết không đồng bộ giữa hai hệ thống xoay chiều khi mà các đường dây nối xoay chiều là không khả thi vì lý do ổn định hệ thống hay có sự khác nhau

về tần số định mức của hai hệ thống

3 Truyền tải một lượng công suất lớn trên khoảng cách xa bằng đường dây trên không Truyền tải HVDC là một phương án cạnh tranh được với truyền tải điện xoay chiều đối với khoảng cách dài hơn 600 km

4 Sự nối kết các hệ thống cùng tần số qua đường dây có chiều dài bằng không kết nối “lưng kề lưng”, các trạm chỉnh lưu và nghịch lưu được nối kề nhau Điều này cho phép nối kết hai hệ thống xoay chiều mà không làm tăng dòng ngắn mạch trong hệ thống

5 Hệ thống HVDC được dùng để tải công suất từ một trạm lớn từ xa đến trung tâm phụ tải cách đó vài trăm km Nếu có sự cố trong hệ thống xoay chiều thì các máy phát ở nguồn phát sẽ không cắt ra vì đường kết nối DC không đồng bộ sẽ

cô lập nhà máy với hệ thống AC

6 Liên kết giữa các hệ thống lớn: nhằm trao đổi liên tục công suất với các hệ thống lân cận bất chấp có biến đổi về điện áp và tần số Các liên kết DC đảm bảo sự tồn tại hoạt động của các đường nối trong những tình trạng nghiêm ngặt nhất của các lưới điện cấu thành

Các hệ thống HVDC có khả năng điều khiển nhanh chóng công suất truyền tải vì vậy chúng có ảnh hưởng lớn đến ổn định khi liên kết với hệ thống xoay chiều

Quan trọng hơn nữa, việc thiết kế thích hợp hệ thống điều khiển HVDC là cơ bản để đảm bảo vận hành thỏa mãn trên toàn hệ thống DC/AC

Đối với các ứng dụng nêu trên hệ thống HVDC tỏ ra là sự lựa chọn kinh tế

và giảm nhiều các tác hại xấu đến môi trường Cùng với sự phát triển của kỹ thuật, nhu cầu liên kết các lưới điện khu vực, các nỗ lực bảo vệ môi trường đã khiến cho trong nhiều trường hợp hệ thống truyền tải HVDC là sự chọn lựa số 1

1.4 KẾT LUẬN

Truyền tải cao áp một chiều (HVDC) được công nhận rộng rãi là thuận lợi cho đường dài, chuyển giao số lượng lớn năng lượng, kết nối không đồng bộ, cáp xuyên biển với khoảng cách dài Đường dây HVDC và cáp ít tốn kém và có tổn thất thấp hơn so với truyền tải ba pha AC Đường dây HVDC điển hình sử dụng một cấu hình lưỡng cực với hai cực độc lập và có thể được so sánh với đường dây mạch đôi xoay chiều Do liên kết HVDC có khả năng điều khiển, chúng có thể cung cấp công suất ổn định không bị giới hạn bởi tắc nghẽn mạng hoặc loop trên những đường dây song song So với truyền tải AC, truyền tải HVDC có thể truyền tải công suất cao hơn trên một khoảng cách dài hơn với ít đường dây và cáp hơn

Cùng với đó sự phát triển của công nghệ bán dẫn, các thyristor trở thành phần tử chính của các trạm biến đổi Các thiết bị biến đổi ngày nay có kích thước trở nên gọn và giá thành giảm Do đó, hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều HVDC khá phổ biến trên thế giới và có độ tin cậy cao, đã được nghiên cứu và vận hành trên 50 năm Đây là một dự án tiềm năng đối với hệ thống truyền tải điện của Việt Nam trong tương lai gần

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO CỦA HỆ THỐNG HVDC

2.1 Nguyên lý chung của hệ thống HVDC

Đường dây một chiều hoặc cáp

Bộ biến đổi

Bộ biến đổi

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống truyền tải điện HVDC

Quá trình truyền tải điện năng giữa trạm cấp năng lượng điện (Trạm chỉnh lưu - Rectifier) tới trạm nhận năng lượng điện (Trạm nghịch lưu - Inverter) là quá trình truyền tải điện năng giữa hai trạm biến đổi Tại các trạm biến đổi này, điện áp xoay chiều được cho qua trạm biến áp để cung cấp một điện áp xoay chiều thích hợp cung cấp cho bộ biến đổi Bộ biến đổi điện xoay chiều thành một chiều và được truyền trên đường dây một chiều đến trạm biến đổi kia Điện áp và dòng điện một chiều được làm phẳng bằng cuộn san dòng và khử sóng hài bằng bộ lọc một chiều trên đường dây một chiều Tại trạm biến đổi, dòng điện và điện áp một chiều từ đường dây tải điện qua bộ biến đổi chuyển thành dòng và điện áp xoay chiều Điện

áp xoay chiều này được cho qua trạm biến áp để biến đổi thành điện áp xoay chiều mong muốn

Trong quá trình truyền tải điện năng giữa hai trạm nói trên vai trò của mạch biến đổi tại hai trạm có thể thay đổi cho nhau dẫn đến sự đảo chiều của luồng công suất Tại các trạm biến đổi, công suất phản kháng được cung cấp bởi các nguồn phản kháng

2.2 Cấu tạo của hệ thống HVDC

Hình 2.2 vẽ một hệ thống truyền tải HVDC điển hình, hệ thống này bao gồm các thiết bị chính sau [9]:

- Trạm biến áp (Transformer)

- Bộ lọc xoay chiều (AC Filters)

- Bộ biến đổi (Converter)

- Bộ lọc một chiều (DC Filters)

- Cuộn san dòng (Smoothing reactors)

- Đường dây truyền tải một chiều (DC line)

- Nguồn phản kháng (Reactive power source)

bộ biến đổi là các MBA được kết nối theo các tổ đấu dây Y/Y và Y/ [7]

Hình 2.3: Cấu trúc bộ biến đổi 12 xung

Trong cấu hình trên, điện áp xoay chiều lần lượt cấp cho nhóm valves 6 xung, tổng hợp lại, ta có nhóm valve chỉnh lưu 12 xung lệch pha nhau 300, làm triệt tiêu các dòng điện thứ tự 5 và thứ tự 7 phía xoay chiều, thứ tự 6 phía 1 chiều, làm giảm chi phí cho sóng hài ở 2 phía xoay chiều và một chiều so với bộ chỉnh lưu 6 xung

Nhìn vào hình 2.3 đối với các trạm chuyển đổi sử dụng cấu hình chỉnh lưu 12 xung, ta có 3 nhóm, mỗi nhóm gồm 4 thyristor theo chiều thẳng đứng Mỗi nhóm 4 Thyristor này được mắc nối tiếp, xếp thành 1 khối thẳng đứng Điện áp làm việc của mỗi thyristor hiện nay vào khoảng vài kV (<10kV), để có điện áp một chiều +500kV, cần hàng trăm thyristor mắc nối tiếp Nhóm 4 thyristor trong các trạm chuyển đổi điện áp siêu cao thường có chiều cao lớn, được gắn lên trần nhà, nhất là

ở những nơi hay xảy ra động đất

Các thyristor được làm mát bằng không khí, nước, dầu hay khí Freon Việc làm mát bằng chất lỏng được sử dụng nước khử ion là hiệu quả hơn cả và góp phần giảm tổn thất trong trạm Khả năng tải của một nhóm valve thông thường bị hạn chế bởi dòng ngắn mạch hơn là yêu cầu mang tải trong chế độ xác lập Thiết kế valve được dựa trên khái niệm module, mỗi module bao gồm một số lượng xác định các thyristor ghép nối tiếp nhau hoặc song song song để đạt được điện áp và dòng làm việc theo yêu cầu Ngày nay, người ta đã chế tạo được các thyristor có dòng định mức tới 4000A và điện áp làm việc 8kV

Thiết bị biến đổi đặt trong nhà có thể được treo trên trần hoặc đặt trên cách điện với sàn nhà Gần đây đã chế tạo được các bộ biến đổi lắp đặt ngoài trời

Các tín hiệu điều khiển thyristor được tạo ra trong bộ điều khiển và được truyền tới mỗi thyristor trong thyristor thông qua một hệ thống dẫn hướng cáp quang Tín hiệu quang nhận được từ thyristor sẽ được biến đổi thành tín hiệu điện

sử dụng thiết bị khuếch đại cùng với máy biến áp xung Đi kèm với các thyristor là các thiết bị bảo vệ: quá áp, quá nhiệt…

Gần đây người ta còn sử dụng bộ biến đổi sử dụng thyristor VSC (Voltage Source Converter - Bộ biến đổi nguồn áp) vào mục đích nâng cao độ ổn định của hệ thống, đây là một ứng dụng rất quan trọng của bộ biến đổi nguồn áp VSC Mỗi

valves đơn lẻ trong cầu biến đổi được cấu thành từ một số các Tranzitor có cực điều khiển cách ly IGBT (Insulated Gate Bipolar Tranzito) Các thiết bị điều khiển và thiết bị làm lạnh có thể được đóng kín trong các Container tiêu chuẩn để thuận tiện cho vận chuyển và lắp đặt

2.2.2 Trạm biến áp

Trạm biến áp gồm các máy biến áp chuyển đổi điện áp xoay chiều về cấp điện áp xoay chiều thích hợp cho bộ biến đổi của hệ thống truyền tải điện một chiều

và chúng tham gia vào điện kháng chuyển mạch

Máy biến áp có thể có các cấu hình khác nhau, thông thường là loại ba pha hay tổ hợp ba máy biến áp một pha Phía thứ cấp nối hình sao và tam giác và phía

sơ cấp máy biến áp nối sao được liên kết song song

Máy biến áp sử dụng cho bộ biến đổi có khe hở cách điện giữa cuộn dây và gông từ lớn hơn máy biến áp thông thường, được thiết kế chịu điện áp một chiều và tổn hao dòng điện xoáy do từ thông chứa nhiều sóng hài làm nóng dầu máy biến áp

và gây tiếng ồn Khi vận hành các pha không làm việc đồng thời mà luân phiên theo

sự làm việc các dương cực của bộ biến đổi, như vậy máy biến áp luôn làm việc trong trạm thái không đối xứng, nên phải chọn sơ đồ nối dây sao cho đảm bảo được điều kiện từ hóa bình thường của các trụ lõi thép và giảm thiểu được sự đập mạch của điện

áp và dòng điện chỉnh lưu Điều áp dưới tải của MBA tác động khi điện áp xoay chiều thay đổi, góp phần làm giảm công suất phản kháng cung cấp cho bộ biến đổi

2.2.3 Các bộ lọc xoay chiều

Ở phía xoay chiều của bộ biến đổi sóng hài được sinh ra, các sóng hài bậc

11, 13, 23, 25… ngoài tác hại như gây nhiễu tín hiệu thông tin còn gây tổn thất, méo dạng điện áp, làm phát nóng thiết bị… Do đó các bộ lọc được lắp đặt nhằm mục đích hạn chế sóng hài tới mức độ chấp nhận của lưới điện Bộ lọc có thể được

sử dụng các phần tử thụ động L–C, trong tương lai các bộ lọc xoay chiều tích cực

sẽ được áp dụng Trong quá trình làm việc, bộ biến đổi tiêu thụ một lượng khá lớn

công suất phản kháng, lượng công suất phản kháng này được bù đắp một phần bởi

nhóm bộ lọc và phần còn lại bởi nhóm tụ điện

2.2.4 Các bộ lọc một chiều

Ở phía một chiều của bộ biến đổi sinh ra các sóng hài bậc 12, 24… Các sóng hài như vậy có thể tạo ra sự nhiễu loạn trong các hệ thống điện viễn thông Do đó, các bộ lọc một chiều được thiết kế đặc biệt được sử dụng nhằm mục đích giảm mức

độ gây nhiễu Thông thường các bộ lọc một chiều không cần thiết nếu sử dụng cáp

để truyền tải Nhưng trong trường hợp đường dây trên không thì việc lắp đặt bộ lọc một chiều là cần thiết Thông thường các bộ lọc phía một chiều có giá thành thấp hơn phía bộ lọc xoay chiều

2.2.5 Cuộn san dòng

Cuộn san dòng được mắc nối tiếp với mạch biến đổi Chức năng chính của cuộn san dòng là:

- Giảm dòng điện sóng hài trên đường dây truyền tải điện một chiều

- Giảm thiểu những rủi ro chuyển mạch do dòng điện một chiều, tăng quá giới hạn thoáng qua tại các hệ thống xoay chiều và một chiều

2.2.6 Nguồn công suất phản kháng

Một bộ biến đổi HVDC luôn luôn cần phải có nguồn công suất phản kháng Tại chế độ vận hành bình thường thì bộ biến đổi tiêu thụ một lượng công suất phản kháng khoảng 50% công suất tác dụng được truyền Giải pháp kinh tế nhất là mắc

một hệ thống tụ song song tại các đầu ra của các bộ biến đổi

2.2.7 Đường dây truyền tải của hệ thống HVDC

Các đường dây truyền tải một chiều có nhiệm vụ truyền tải công suất từ phía chỉnh lưu tới phía nghịch lưu

- Đối với việc truyền tải điện năng công suất lớn trên mặt đất thì phương tiện truyền tải phổ biến nhất là đường dây trên không Đường dây trên không này thông thường là lưỡng cực (hai đường dây với hai cực tính khác nhau) Cáp HVDC thông thường được sử dụng khi đi ngầm dưới biển Những kiểu phổ biến nhất của cáp ngầm là loại cách điện rắn và cách điện dầu, trong đó loại đầu tiên là kinh tế hơn cả Cách điện của nó bao gồm nhiều băng giấy cách điện được thấm dầu nhớt có độ đậm đặc cao Không có sự hạn chế về độ dài đối với loại cáp này và độ sâu cho

phép có thể lên đến 1000m Loại cáp mà được đổ đầy dầu có độ đậm đặc thấp và luôn làm việc dưới một áp suất thì chiều dài tối đa cho phép cho kiểu cáp này thường khoảng 60 km Sự phát triển các loại cáp mới đã và đang gia tăng trong những năm gần đây

- Nguyên tắc để xác định kích thước của đường dây trên không và cột đỡ của đường dây tải điện một chiều tương tự như đường dây xoay chiều Tiết diện dây dẫn được lựa chọn theo mật độ dòng điện kinh tế (Jkt) Việc phân pha được thực hiện nhằm tăng đường kính tương đương, nâng cao hiệu quả sử dụng của dây dẫn

- Trên đường dây có treo 2 dây chống sét bảo vệ (trong đó một dây kết hợp với cáp quang phục vụ thông tin) với góc bảo vệ là 180 Nối đất luôn được thực hiện

để giảm bớt sóng hài và giảm nhiễu đường dây thông tin

2.2.8 Hệ thống nối đất

Hầu hết các liên kết một chiều đều sử dụng nối đất như dây trung tính Khi nối đất yêu cầu mặt bằng rộng để giảm dòng rò và gradient điện áp Địa điểm chọn đặt hệ thống điện cực nối đất phải có điện trở suất đủ bé, xa khu vực thành thị, các đường ống, công trình ngầm, trạm biến đổi… để ngăn chặn hiện tượng ăn mòn hóa điện, dòng rò vào MBA của bộ biến đổi, nhiễu thông tin Các điện cực cần được khoan sâu dưới lòng đất do điện trở suất của lớp đất gần bề mặt thường khá cao

2.2.9 Hệ thống điều khiển và bảo vệ

Hệ thống điều khiển: Hệ thống điều khiển là bộ não của hệ thống HVDC, một trong những thuận lợi lớn nhất của hệ thống truyền tải HVDC là tính điều khiển được Một trạm HVDC hiện đại được trang bị hệ thống bảo vệ và điều khiển bằng

vi xử lý tích hợp

Điều khiển công suất qua hệ thống được khi mà một trạm biến đổi điều khiển được điện áp một chiều và trạm biến đổi kia điều khiển được dòng chạy trên mạch một chiều Hệ thống điều khiển hoạt động thông qua điều khiển góc điều khiển của thyristor và điều chỉnh bộ chỉnh áp của máy biến áp của bộ biến đổi Mỗi một cực

có một hệ thống điều khiển của nó, hai hệ thống điều khiển của hai trạm ở hai đầu

hệ thống HVDC được liên lạc với nhau thông qua đường dây viễn thông Hầu hết

các đường dây truyền tải HVDC được điều khiển từ xa thông qua trung tâm điều độ

Một hệ thống điều khiển hiện đại ngày nay, tất cả các chức năng điều khiển, giám sát, được thực hiện bằng phần mềm chuyên dụng

Hệ thống bảo vệ: Cũng giống như hệ thống xoay chiều, hệ thống một chiều cũng có thể gặp phải các dạng sự cố mà nguyên nhân là do sự hoạt động sai chức năng của thiết bị, cách điện hỏng do sét đánh hoặc do ô nhiễm môi trường… các sự

cố cần phải được phát hiện và hệ thống cần được bảo vệ để ngăn ngừa hoặc giảm thiểu tác hại của sự cố Ngoài việc làm gián đoạn sự vận hành bình thường thì các

sự cố khác nhau có thể gây hư hỏng thiết bị do hiện tượng quá áp và quá dòng

2.3 Một số sơ đồ truyền tải điện cao áp một chiều

2.3.1 Hệ thống truyền tải HVDC liên kết đơn cực

Hình 2.4: Hệ thống truyền tải HVDC liên kết đơn cực

Cấu hình cơ bản của một kết nối đơn cực được trình bày trong hình 2.12 Hệ thống này dùng một dây dẫn, thường có cực tính âm Đường trở về có thể dùng đất hay nước

Các khảo sát về chi phí thường đi đến việc dùng hệ thống này nhất là truyền tải bằng cáp ngầm Cấu hình này là giai đoạn thứ nhất của việc phát triển sang cấu hình lưỡng cực Thay vì dùng đường trở về qua đất, có thể dùng đường trở về bằng kim loại trong trường hợp điện trở đất quá lớn và có thể gây nhiễu loạn đến các công trình ngầm bằng kim loại khác

2.3.2 Hệ thống truyền tải HVDC liên kết lưỡng cực

+

-Hình 2.5: Hệ thống truyền tải HVDC liên kết lưỡng cực

Kết nối lưỡng cực được trình bày trong hình 2.13 Kết nối này có hai dây, một dương và một âm Mỗi đầu có đều có bộ biến đổi có điện áp định mức bằng nhau mắc nối tiếp về phía điện một chiều Điểm nối giữa hai bộ biến đổi được nối đất Lúc bình thường, dòng điện trên hai cực bằng nhau, dòng qua đất bằng không Hai cực có thể vận hành độc lập nhau Nếu một cực bị cô lập do sự cố trên dây dẫn, cực kia vẫn có thể hoạt động với đất là đường trở về và mang một nửa tải

Theo quan điểm chống sét, đường dây lưỡng cực được xem như hiệu quả tương đương với đường dây xoay chiều hai mạch Trong vận hành bình thường có ít nhiễu do họa tần đến các công trình lân cận so với đường đơn cực Việc đảo chiều công suất được thực hiện bằng cách thay đổi cực tính của hai cực thông qua điều khiển

Trong trường hợp dòng điện tản qua đất không được thuận lợi hay không thực hiện tốt việc nối đất do điện trở đất quá cao thì có thể dùng một dây dẫn thứ ba làm đường trở về cho dòng điện khi có một cực ngừng hoạt động hoặc khi có sự không cân bằng lúc vận hành hai cực Dây dẫn thứ ba yêu cầu mức cách điện thấp

và còn được dùng làm dây bảo vệ chống sét đối với đường dây trên không

2.3.3 Hệ thống truyền tải HVDC đồng cực tính

Hình 2.6: Hệ thống truyền tải HVDC liên kết đồng cực

Sơ đồ này được sử dụng hai hay nhiều đường dây cùng cực tính dương hay

âm Thường là âm để giảm bớt nhiễu và tổn thất vầng quang Đường trở về qua điểm giữa được nối đất Khi một dây dẫn bị sự cố, hệ thống sẽ vận hành như cấu hình liên kết đơn cực tiếp tục truyền tải một phần công suất Cấu hình này được sử dụng phổ biến để truyền tải điện năng trên đường dây trên không Trong trường hợp

nhưng không đổi chiều được chiều truyền tải Có thể mô tả bộ chỉnh lưu cho trước bằng hệ số đập mạch Đầu ra của sơ đồ chỉnh lưu được coi là một chiều, nhưng thực

ra điện áp có dạng đập mạch có chứa cả thành phần xoay chiều, tần số đập mạch càng cao thì dạng sóng ra càng ít nhấp nhô

Với điện áp cao nên chọn chỉnh lưu cầu vì điện áp giới hạn của các điốt hay các thyristor của chỉnh lưu nửa chu kỳ quá lớn, ở bộ chỉnh lưu cầu, hai lần điện áp rơi có thể bỏ qua so với điện áp cao của tải

Với mục đích liên kết hai HTĐ xoay chiều với nhau bằng HTĐ một chiều có công suất lớn, nên ta chỉ có thể xét bộ biến đổi năng lượng ba pha Trong đó chỉnh lưu cầu ba pha được xem là sơ đồ có nhiều ưu điểm nhất [2,3]

- Tần số đập mạch bằng 6 lần tần số nguồn cung cấp và hạn chế phổ, sóng hai bậc cao trong đường cong dòng điện sơ cấp

- Máy biến áp sử dụng hiệu quả hơn vì trong mỗi chu kỳ dòng điện chạy qua cuộn dây thứ cấp cả hai chiều nên mạch từ không bị bão hòa

- Hệ số liên lạc giữa điện áp pha Uf và điện áp chỉnh lưu Udo khá lớn, do đó

để đạt được điện áp một chiều như nhau thì sơ đồ cầu ba pha yêu cầu cách điện của máy biến áp nhỏ hơn

Điện áp các pha thứ cấp máy biến áp cung cấp cho chỉnh lưu là:

t U

2 3

2 sin

t U

2 3

4 sin

t U

U

2.4.1.2 Nguyên lý hoạt động của bộ chỉnh lưu

a) Chỉnh lưu cầu ba pha dùng điốt

Dòng điện xuất phát từ điểm có điện thế cao nhất đến điểm có điện thế thấp nhất, mỗi điốt cho dòng chảy qua một phần ba chu kỳ (2π/3) Mỗi cuộn dây thứ cấp máy biến áp cho dòng chảy qua hai phần ba chu kỳ (4π/3) trong đó, 1/3 chu kỳ với điốt trên, 1/3 chu kỳ với điốt dưới Giá trị tức thời của điện áp tải bằng hiệu của giá

trị tức thời hai điện áp pha đang cấp dòng cho tải, tóm tắt hoạt động của mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển dùng điốt cho trong bảng 2.1:

Hình 2.7: Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha dùng điốt

Hình 2.8: Dạng sóng đầu ra của mạch chỉnh lưu cầu dùng điốt

Bảng 2.1: Tóm tắt hoạt động của mạch chỉnh lưu cầu ba pha dùng điốt

Khoảng Chiều dòng điện Điốt mở Điện áp tải Ud

b) Chỉnh lưu thyristor cầu ba pha

Sơ đồ chỉnh lưu thyristor cầu 3 pha

Hình 2.9: Sơ đồ chỉnh lưu thyristor cầu ba pha

Hoạt động của sơ đồ: (khi không xét đến trùng dẫn) [2,3]

Chỉnh lưu cầu ba pha gồm 6 thyristor chia thành 2 nhóm nhóm Catốt chung :

Giả thiết T5 , T6 đang dẫn cho dòng chảy qua UF = Uc ; UE = Ub;

- Khi =1=

6

+ cho xung điều khiển mở T1, thyristor này được mở vì Ua

> 0 sự mở của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì Ua > Uc Lúc này T6

và T1 cho dòng chảy qua, và điện áp trên tải là: Ud = Uab = Ua – Ub

- Khi =2=3

6

+ cho xung điều khiển mở T2 khi T2 mở nó làm cho T6 bị khóa lại tương tự trên

- Quá trình cứ tiếp tục như vậy, mỗi valve được đưa xung vào mở sau 1

3T

Đồ thị dòng áp

Hình 2.10: Dạng sóng đầu ra của bộ chỉnh lưu thyristor cầu ba pha

Điện áp trung bình trên tải:

Ud =

5 6

2 6

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên valve: Unmax = 6U2

Dòng điện chảy qua các valve là: IT = Id /3

2.4.1.3 Chế độ nghịch lưu của chỉnh lưu có điều khiển

Hình 2.11: Sơ đồ chế độ nghịch lưu của chỉnh lưu có điều khiển

Hình 2.12: Dạng sóng và điện áp phía nguồn nhận

2.4.2 Mạch điều khiển bộ chỉnh lưu

Nguyên lý phát xung điều khiển

Trong thực tế người ta thường dùng 2 nguyên tắc điều khiển là thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng “ arccos” [2,3]

a) Nguyên lý điều khiển thẳng đứng tuyến tính

Hình 2.13: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính b) Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos”

Hình 2.14: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos”

Sơ đồ khối mạch điều khiển phát xung: Để thực hiện được ý đồ đã nêu trên

trong phần nguyên lý điều khiển ở trên, mạch điều khiển bao gồm ba khâu cơ bản trên hình 2.15 sau:

Hình 2.15: Sơ đồ mạch điều khiển phát xung Nhiệm vụ của các khâu trong sơ đồ điều khiển

Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo điện áp tựa Urc (thường gặp là điện áp dạng răng cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp anod của thyristor

Khâu so sánh nhận tín hiệu điện áp răng cưa và điện áp điều khiển, có nhiệm

vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển Uđk, tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau (Uđk = Urc) Tại thời điểm hai điện áp bằng nhau, thì phát xung ở đầu

ra để gửi sang tầng khuếch đại

Khâu tạo xung có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở thyristor Xung để mở Thyristor có yêu cầu: sườn trước dốc thẳng đứng để đảm bảo yêu cầu Thyristor mở tức thời khi có xung điều khiển (thường gặp loại xung này là xung kim hoặc xung chữ nhật); đủ độ rộng (với độ rộng xung lớn hơn thời gian mở của Thyristor); đủ công suất; cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực (nếu điện áp động lực quá lớn)

Sơ đồ ví dụ của một kênh điều khiển vẽ trên hình 2.16, nguyên tắc phân phối xung điều khiển của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha hình 2.17 và ví dụ cho một bộ điều khiển chỉnh lưu cầu 3 pha hình 2.18

Nguyên tắc điều khiển kiểu đệm xung điều khiển

Hình 2.17: Sơ đồ điều khiển kiểu đệm xung điều khiển

Hình 2.18: Mạch điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha

2.5 Nghịch lưu trong hệ thống HVDC

2.5.1 Khái niệm chung

Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều

Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện Trong trường hợp đầu, bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp và trường hợp sau là bộ nghịch lưu dòng

Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện áp

và nguồn cho bộ nghịch lưu dòng có tính nguồn dòng điện Các bộ nghịch lưu tương ứng được gọi là bộ nghịch lưu áp nguồn áp và bộ nghịch lưu dòng nguồn dòng hoặc gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng Trong trường hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ở ngõ ra không giống nhau, ví dụ bộ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều, ta gọi chúng là bộ nghịch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ nghịch lưu dòng nguồn

áp [2,3]

Phân loại có nhiều cách phân loại khác nhau như

- Theo hình dạng sóng ra: hình sin, hình vuông…

- Theo cách hoạt động: nguồn thế VSI (voltage source Inverter), nguồn dòng CSI (Current source Inverter), biến đổi độ rộng xung PWM (pulse width modulated Inverter)

Hình 2.19: Cấu hình hoạt động của bộ nghịch lưu

2.5.2 Nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu sử dụng thyristor

2.5.2.1 Bộ nghịch lưu một pha

Xét bộ nghịch lưu một pha cung cấp từ lưới điện được vẽ trên hình 2.19 Nguồn một chiều có suất điện động Ed, lưới điện xoay chiều hình sin có điện áp

)sin(

Trong chế độ nghịch lưu, do góc mở α > 900 nên các thyristor T1 và T2 sẽ thông khi điện áp u1 và u2 lần lượt âm so với suất điện động Ed (hình 2.21) Do điện

áp u1, u2 âm so với suất điện động Ed nên năng lượng sẽ truyền tải từ phía một chiều (DC) sang phía xoay chiều (AC)

Thật vậy theo (hình 2.21) ở chu kỳ đầu thyristor T2 đang dẫn điện (dòng ia2) tới thời điểm kết thúc xung điều khiển α (Điểm A) dòng điện qua thyristor T2 giảm dẫn đồng thời dòng điện T1 tăng dần tới trị số làm việc (hiện tượng trùng dẫn) Tới điểm B dòng điện trên T2 tắt hoàn toàn, dòng điện trên T1 đạt đến trị số làm việc Tuy nhiên vẫn cần tới một khoảng thời gian tương ứng với góc dập tắt  để đảm bảo cho T2 khóa một cách chắc chắn

Nếu điều kiện này bị vi phạm thì bắt đầu từ điểm C điện áp u2 và Ed đều dương trên T2 Thyristor T2 có thể trở lại trạng thái thông mạch T1 và T2 cùng thông

sẽ làm ngắn mạch điện áp một chiều và điện áp xoay chiều Đây chính là điểm khác biệt căn bản của chế độ chỉnh lưu và chế độ nghịch lưu Góc dập tắt tối thiểu 0thường được chọn từ 150 đến 200

Để thuận tiện trong tính toán chế độ nghịch lưu người ta thường sử dụng khái niệm góc sớm pha β = π - α =  + 

2.5.2.2 Bộ nghịch lưu cầu ba pha được cung cấp từ lưới điện

Dưới góc độ truyền tải năng lượng, bộ chỉnh lưu và nghịch lưu mang tính thuận nghịch, vai trò của chúng phụ thuộc vào góc mở α, bộ nghịch lưu làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc, trả năng lượng về lưới

Xét bộ nghịch lưu cầu ba pha được cung cấp từ lưới điện (hình 2.22)

Hình 2.22: Sơ đồ nghịch lưu cầu ba pha được cung cấp từ lưới điện

Sơ đồ nghịch lưu cầu ba pha gồm 6 thyristor chia làm hai nhóm:

- Nhóm katốt chung: T1, T3, T5 nối với cực âm của bộ nghịch lưu