NGHIÊN cứu và ỨNG DỤNG các bộ BIẾN đổi bán dẫn CÔNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Tác giả luận văn NGUYỄN ANH TUẤN TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG TRUYỀ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI CAO ÁP MỘT CHIỀU (HVDC)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Tác giả luận văn NGUYỄN ANH TUẤN TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI CAO ÁP MỘT CHIỀU (HVDC) Chuyên ngành : Hệ thống điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS ĐỖ MẠNH CƯỜNG

Hà Nội – Năm 2015

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Đỗ Mạnh Cường, người thầy đã tận tình hướng dẫn và động viên tôi trong suốt quá trình làm luận văn

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong bộ môn Hệ thống điện – Viện điện – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ tôi hoàn thành tốt khóa học của mình

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè, những người luôn kề vai sát cánh bên tôi, động viên tôi trong suốt khóa học và quá trình làm luận văn.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực

Những kết luận khoa học của luận văn chưa từng được ai

công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày 15 tháng 09 năm 2015

Tác giả

Nguyễn Anh Tuấn

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

AC Xoay chiều CSC Bộ biến đổi nguồn dòng

DC Một chiều DSP Khối xử lý tín hiệu số

DZ Đường dây ĐTCS Điện tử công suất GTO Thyristor khóa bằng cực điều khiển

HB Biên độ sai số khâu tạo trễ HVAC Điện xoay chiều cao áp HVDC Điện cao áp một chiều HTĐ Hệ thống điện

HTĐQG Hệ thống điện Quốc gia IGBT Transistor lưỡng cực có cổng cách ly MBA Máy biến áp

NĐ Nhiệt điện SVC Thiết bị bù công suất phản kháng STATCOM Thiết bị bù công suất phản kháng FACTS Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt PWM Điều chế độ rộng xung

TĐ Thủy điện TĐTN Thủy điện tích năng TSĐ Tổng sơ đồ

TT Trung tâm TTNĐ Trung tâm nhiệt điện VSC Bộ biến đổi nguồn áp

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI ĐIỆN CAO ÁP MỘT CHIỀU HVDC 4

1.1/ TỔNG QUAN 4

1.2/ NGUYÊN LÝ & CẤU TẠO HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN HVDC 6

1.2.1/ Nguyên lý của hệ thống HVDC 6

1.2.2/ Cấu tạo của hệ thống HVDC 7

1.3/ ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN CAO ÁP MỘT CHIỀU SO VỚI XOAY CHIỀU TRUYỀN THỐNG 14

1.4/ CÁC CẤU HÌNH CỦA HVDC 16

1.4.1/ Hệ thống truyền tải HVDC liên kết đơn cực (Monopolar link) 16

1.4.2/ Hệ thống truyền tải HVDC lưỡng cực (Bipolar link) 17

1.4.3/ Hệ thống truyền tải HVDC cùng cực tính (Homopolar link) 18

1.4.4/ Hệ thống truyền tải HVDC đối lưng (Back to Back) 19

1.4.5/ Hệ thống truyền tải HVDC nhiều điểm đấu 19

1.4.6/ Một số sơ đồ khác 20

1.5/ MỘT SỐ HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN HVDC TRÊN THẾ GIỚI 21

1.5.1/ Itaipu, hệ thống truyền tải HVDC lớn nhất trên thế giới 21

1.5.2/ Hệ thống HVDC Leyte-Luzon, Philipine 22

1.5.3/ Hệ thống HVDC Rihand – Delhi, India 23

CHƯƠNG 2: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CHO PHÍA CHỈNH LƯU & NGHỊCH LƯU CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI HVDC 25

2.1 BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN DÕNG CSC 27

2.1.1 Trường hợp không có góc trùng dẫn chuyển mạch 28

2.1.2 Trường hợp với góc trùng dẫn chuyển mạch nhỏ hơn 60 độ 30

2.2 BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN ÁP VSC 34

2.2.1 Giới thiệu 34

2.2.2 Điều khiển của điện áp tụ một chiều 37

2.2.3 VSC với điều khiển dòng xoay chiều 37

2.2.3.1 Các phương pháp điều chế PWM 38

2.2.4 VSC với điều khiển điện áp xoay chiều 40

2.2.4.1 PWM với chuyển mạch điện áp lưỡng cực 42

2.2.4.2 PWM với chuyển mạch điện áp đơn cực 42

2.3 NHẬN XÉT 43

CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ TÍNH KHẢ THI ỨNG DỤNG HVDC TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM 44

3.1 NÂNG CAO KHẢ NĂNG TRUYỀN TẢI VÀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 44

3.1.1 Hệ thống điện Việt Nam [2] 44

3.1.2 Ứng dụng HVDC cho hệ thống điện Việt Nam 46

3.1.3 Nhận xét 51

3.2 CHI PHÍ ĐẦU TƯ HỆ THỐNG HVDC TRONG CÁC TRƯỜNG HỢP CỤ THỂ TẠI VIỆT NAM 51

3.2.1 Các giả thiết đưa vào tính toán 52

3.2.1.1 Các giả thiết về mặt kỹ thuật 52

3.2.1.2 Các giả thiết về mặt kinh tế 53

3.2.2 Tính toán chi phí hiện tại hóa khi các yếu tố đầu vào thay đổi 56

3.2.2.1 Mô phỏng hệ thống điện trong PSS/E 56

3.2.2.2 Khoảng cách truyền tải 270 km 58

3.2.2.3 Khoảng cách truyền tải 450 km 67

3.2.3 Những dự án truyền tải điện một chiều tiềm năng 72

3.2.3.1 Truyền tải điện khu vực Nam Trung bộ - Đông Nam Bộ: 72

3.2.3.2 Truyền tải điện liên kết Việt Nam – Trung Quốc: 73

3.2.4 Nhận xét 74

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG MỘT HỆ HVDC 75

4.1 GIỚI THIỆU 75

4.2 MÔ TẢ TRUYỀN TẢI ĐIỆN CAO ÁP MỘT CHIỀU 75

4.3 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI HVDC SỬ DỤNG BỘ BIẾN ĐỔI VSC 75

KẾT LUẬN CHUNG 91

Kiến nghị: 93

Tài liệu tham khảo: 94

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2- 1: Bảng so sánh hai bộ biến đổi CSC và VSC 26

Bảng 3- 1: Cân bằng công suất nguồn và phụ tải khu vực Nam Trung Bộ 45

Bảng 3- 2: Suất đầu tư cho đường dây 500 kV những năm gần đây 54

Bảng 3- 3: Suất đầu tư xây dựng đường dây truyền tải của KOPEC (số liệu 2006) 54

Bảng 3- 4: Suất đầu tư trạm chuyển đổi của 4 dự án HVDC trên thế giới 55

Bảng 3- 5: Thông số đường dây trên không 765 kV: Dây phân pha 6xACSR480 mm 2 , khoảng cách phân pha 400 mm (theo tiêu chuẩn Hàn Quốc) 57

Bảng 3- 6: Nguồn điện khu vực Nam Trung Bộ (xung quanh nhà máy điện hạt nhân 1- Ninh Thuận) 2015-2025 58

Bảng 3- 7: Các phương án truyền tải công suất từ 2500MW đến 12000MW 61

Bảng 3- 8: Kết quả tính toán tổn thất công suất 62

Bảng 3- 9: Tổng vốn đầu tư hệ thống truyền tải 63

Bảng 3- 10: Chi phí hiện tại hóa hệ thống truyền tải 64

Bảng 3- 11: Các phương án truyền tải công suất từ 1500MW đến 4500MW 69

Bảng 3- 12: Kết quả tính toán tổn thất công suất 69

Bảng 3- 13: Tính toán vốn đầu tư cho hệ thống truyền tải 70

Bảng 3- 14: Bảng tổng hợp chi phí hiện tại hóa 71

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1- 1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống truyền tải HVDC 6

Hình 1- 2: Cấu trúc hệ thống HVDC 7

Hình 1- 3: Cấu trúc bộ biến đổi 12 xung 8

Hình 1- 4: Hình ảnh một mô-đun Thyristor 8

Hình 1- 5: Bộ biến đổi gồm nhiều mô-đun Thyristor ghép lại với nhau 9

Hình 1- 6: Trạm biến áp một chiều 800 KV 10

Hình 1- 7: Bộ lọc xoay chiều 3 pha 11

Hình 1- 8: Bộ lọc một chiều 500 KV 11

Hình 1- 9: Cuộn san dòng lõi không khí 12

Hình 1- 10: Nguồn công suất phản kháng tụ điện 12

Hình 1- 11: Trung tâm điều khiển hệ thống HVDC 14

Hình 1- 12: Hệ thống truyền tải HVDC liên kết đơn cực 16

Hình 1- 13: Hệ thống truyền tải HVDC lưỡng cực 17

Hình 1- 14: Hệ thống truyền tải HVDC cùng cực tính 18

Hình 1- 15: Hệ thống truyền tải HVDC đối lưng 19

Hình 1- 16: Hệ thống truyền tải HVDC nhiều điểm đấu 20

Hình 1- 17: Cấu trúc hệ thống HVDC sử dụng năng lượng gió 21

Hình 1- 18: Hệ thống truyền tải HVDC Itaipu-saopaolo 21

Hình 1- 19: Hệ thống truyền tải HVDC Itaipu-saopaolo 22

Hình 1- 20: Hệ thống truyền tải HVDC Rihand – Delhi, India 23

Hình 1- 21: Bản đồ vị trí một số dự án HVDC trên thế giới 24

Hình 2- 1: Bộ biến đổi nguồn dòng và bộ biến đổi nguồn áp 25

Hình 2- 2: Mạch cầu 6 xung 27

Hình 2- 3: Ảnh hưởng của trùng dẫn lên số lượng các van dẫn 27

Hình 2- 4: Dạng sóng của điện áp dây và điện áp pha 28

Hình 2- 5: Bộ biến đổi cầu với hai van dẫn 29

Hình 2- 6: Mối liên hệ giữa dòng xoay chiều và một chiều với không có trùng dẫn 30

Hình 2- 7: Bộ biến đổi cầu với van 1,2 và 3 dẫn 30

Hình 2- 8: Điện áp một chiều với ảnh hưởng của trùng dẫn 32

Hình 2- 9: Các kết quả từ mô phỏng EMTP của chỉnh lưu 33

Hình 2- 10: Nguyên lý vận hành VSC [2] 34

Hình 2- 11: Vận hành 4 góc phần tư của bộ VSC 36

Hình 2- 12: Các kết quả từ vận hành VSC 37

Hình 2- 13: Bộ chỉnh lưu với PWM điều khiển dòng nguồn áp 38

Hình 2- 14: Phương pháp lấy mẫu có chu kỳ điều chế PWM 39

Hình 2- 15: Bộ so sánh có ngưỡng hiệu chỉnh được (HB) điều chế PWM 39

Hình 2- 16: Phương pháp sóng mang tam giác điều chế PWM 39

Hình 2- 17: Thực thi bộ chỉnh lưu với điện áp điều khiển cho vận hành hệ số công suất đơn vị [2] 40

Hình 2- 18: Thực thi PWM hình sin 41

Hình 2- 19: Phương pháp chuyển mạch lưỡng cực (a) và đơn cực (b) 43

Hình 3- 1: Hệ thống điện 500 kV Miền Nam Việt Nam-2020 (TSĐ VI) 44

Hình 3- 2: Phân bố công suất lưới điện 500 kV Miền Nam năm 2020-mô hình HVAC 46

Hình 3- 3: Dao động điện áp, công suất, góc pha máy phát trường hợp sự cố ngắn mạch 3 pha vĩnh cửu trên DZ 500 kV Di Linh-TĐTN (đóng lặp lại không thành công), điểm sự cố gần thanh cái 500 kV TĐTN 47

Hình 3- 4: Phân bố công suất lưới điện 500kV Miền Nam năm 2020-mô hình HVDC 48

Hình 3- 5: Dao động điện áp, góc pha máy phát trường hợp sự cố ngắn mạch 3 pha vĩnh cửu trên DZ 500 kV NĐ Bình Định-NĐ Cam Ranh (đóng lặp lại không thành công), điểm sự cố thanh cái 500 kV NĐ Cam Ranh (RECTIFIER) 49

Hình 3- 6: Dao động công suất DC tại đầu chỉnh lưu, góc cắt trước, góc kích trễ trường hợp sự cố vĩnh cửu trên DZ 500 kV NĐ Bình Định-NĐ Cam Ranh (đóng lặp lại không thành công), điểm sự cố gần thanh cái 500 kV Cam Ranh (RECTIFIER) 50

Hình 3- 7: Bản đồ vị trí các nhà máy điện khu vực Nam trung bộ 59

Hình 3- 8: Sơ đồ khối hệ thống truyền tải 60

Hình 3- 9: Đồ thị biểu diễn tổn thất theo công suất truyền tải khi L = 270 km 62

Hình 3- 10: Đồ thị biểu diễn tổng vốn đầu tư theo công suất truyền tải khi L = 270 km 63

Hình 3- 11: Đồ thị chi phí hiện tại hóa theo công suất truyền tải khi L = 270 km 64

Hình 3- 12: Suất đầu tư cho TBA 765/500 kV giảm = 25.000 USD/MW 65

Hình 3- 13: Suất đầu tư cho TBA 765/500 kV giảm = 20.000 USD/MW 65

Hình 3- 14: Suất đầu tư cho đường dây 765 kV giảm = 1.0 triệu USD/km 66

Hình 3- 15: Suất đầu tư cho đường dây 765 kV giảm = 1.0 triệu USD/km đồng thời suất đầu tư cho TBA 765/500 kV giảm = 25.000 USD/MW 66

Hình 3- 16: Suất đầu tư cho trạm chuyển đổi AC-DC, DC-AC giảm := 75 USD/kW 67

Hình 3- 17: Bản đồ vị trí tuyến truyền tải liên kết Việt Nam - Trung Quốc 68

Hình 3- 18: Đồ thị biểu diễn vốn đầu tư theo công suất truyền tải khi L = 450 km 70

Hình 3- 19: Đồ thị chi phí hiện tại hóa theo công suất truyền tải khi L = 450km 71

Hình 3- 20: Suất đầu tư cho trạm chuyển đổi AC-DC, DC-AC giảm = 75 USD/kW 72

Hình 4- 1: Mô hình truyền tải điện cao áp một chiều dùng VSC 75

Hình 4- 2: Hệ thống điện xoay chiều 1 và 2 76

Hình 4- 3: Trạm biến đổi 1 (Chỉnh lưu) 76

Hình 4- 4: Trạm biến đổi 2 (Nghịch lưu) 77

Hình 4- 5: Bộ lọc xoay chiều 78

Hình 4- 6: Điện áp pha A và phân tích FFT 79

Hình 4- 7: Bộ điều khiển VSC (trạm 1) 80

Hình 4- 8: Bộ điều khiển VSC (trạm 2) 81

Hình 4- 9: Sơ đồ khối mức cao bộ điều khiển VSC rời rạc 81

Hình 4- 10: Điện áp và dòng điện một chiều của mạch cầu ba bậc 85

Hình 4- 11: Khởi động và đáp ứng bước nhảy công suất tác dụng & công suất phản kháng ở thanh cái B1 trạm 1 87

Hình 4- 12: Khởi động và đáp ứng bước nhảy điện áp Udc trạm 2 87

Hình 4- 13: Kết quả mô phỏng sụt giảm điện áp 3 pha ngắn hạn 89

Hình 4- 14: Kết quả mô phỏng sự cố chạm đất 3 pha ở thanh cái trạm 2 90

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong các thập kỷ qua, nhu cầu điện năng tăng cao dẫn đến cần phải tăng công suất truyền tải cho các mối liên kết những nguồn điện với trung tâm tiêu thụ Cùng với sự phát triển của điện tử công suất và các ứng dụng của nó trong hệ thống truyền tải điện đã phát huy được những ưu điểm vượt trội so với truyền tải điện truyền thống Điều này dẫn đến khuyến khích nghiên cứu hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều sử dụng các bộ biến đổi bán dẫn công suất nhằm nâng cao khả năng truyền tải, ổn định hệ thống điện cũng như giảm chi phí đầu tư so với hệ thống truyền tải điện xoay chiều truyền thống nhất là khi phải truyền tải công suất đi xa hoặc bắt buộc phải sử dụng cáp ngầm dưới biển

2 Lịch sử nghiên cứu

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 một chiều đi khoảng cách xa

Năm 1929, các kỹ sư của công ty ASEA (Allmana Svenska Electriska Aktiebolaget) – Thụy Điển – đã nghiên cứu và phát triển hệ thống Valve hồ quang thủy ngân điều khiển mạng lưới đa điện cực sử dụng trong truyền tải điện một chiều với công suất và điện áp cao Các thử nghiệm đầu tiên được tiến hành tại Thụy Điển

và Mỹ năm 1930 để kiểm tra hoạt động của các Valve hồ quang thủy ngân trong quá trình chuyển đổi chiều truyền tải và thay đổi tần số

Sau chiến tranh thế giới lần thứ hai, 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 điện một chiều thử nghiệm điện áp 200 kV, 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

Công nghệ truyền tải điện một chiều luôn gắn liền với công nghệ điện tử công suất Những năm 1960, hệ thống Valve thể rắn trở thành hiện thực khi ứng dụng Thyristor vào truyền tải điện một chiều Năm 1972, các Valves thể rắn đã được ứng dụng lần đầu tiên ở Canada tại trạm Back to Back Eel River công suất 320 MW điện áp 80 kV Điện áp vận hành lớn nhất hiện nay của đường dây truyền tải điện một chiều là ±600 kV, truyền tải công suất 6300 MW từ thủy điện Itaipu đi Sao Paulo (Brazil), chiều dài 796 km

Ngày nay, truyền tải điện cao áp một chiều 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 điện 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

3 Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng mà luận văn hướng tới ở đây là công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều HVDC Phạm vi của đề tài là nghiên cứu và ứng dụng các bộ biến đổi bán dẫn công suất cho phía chỉnh lưu và nghịch lưu của hệ thống HVDC, từ đó đánh giá được tính khả thi của truyền tải điện HVDC trong điều kiện tại Việt Nam Luận văn này được đưa ra nhằm mục đích đánh giá được các ưu nhược điểm của hệ thống truyền tải điện HVDC so với hệ thống truyền tải điện xoay chiều truyền thống Từ

đó làm cơ sở để có thể đưa công nghệ truyền tải điện mới này áp dụng tại nước ta

4 Tóm tắt luận điểm cơ bản và đóng góp phương pháp nghiên cứu:

Đưa ra một số khái niệm chung và cái nhìn chung nhất về hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều Xem xét đánh giá các thông số cơ bản của một số đường dây

truyền tải Đưa ra phương án truyền tải điện cao áp một chiều, so sánh với các

phương án truyền tải điện cao áp xoay chiều Qua đó chúng ta có thể đánh giá được

hiệu quả về kinh tế và kỹ thuật của phương án này trong hệ thống điện

5 Bố cục luận văn:

Tên đề tài: “Nghiên cứu và ứng dụng các bộ biến đổi bán dẫn công suất trong

hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều HVDC.”

Bố cục luận văn gồm các phần chính sau:

Mở đầu:

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

Chương 2: Các bộ biến đổi cho phía chỉnh lưu & nghịch lưu của hệ thống HVDC

Chương 3: Đánh giá tính khả thi ứng dụng HVDC trong điều kiện Việt Nam

Chương 4: Mô hình hóa và mô phỏng một hệ thống truyền tải HVDC tiêu biểu

Kết luận:

Do sự hiểu biết của tôi còn hạn chế nên luận văn không thể tránh khỏi những

thiếu sót nhất định Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ phía các thầy cô,

bạn bè đồng nghiệp và tất cả mọi người quan tâm đến lĩnh vực này

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI ĐIỆN

CAO ÁP MỘT CHIỀU HVDC 1.1/ TỔNG QUAN

Từ những năm 1980 trở lại đây, sự phát triển của khoa học công nghệ đã làm cho công nghệ truyền tải điện có những bước tiến vượt bậc

*) Xu hướng thu nhỏ quy mô hệ thống điện

Ở khu vực Bắc Mỹ, tổng công suất hệ thống liên kết phía Đông là 600.000

MW, công suất hệ thống liên kết phía Tây là 130.000 MW Khi một phía bị sự cố rã lưới sẽ có nhiều khả năng lan truyền sang phía bên kia Hiện đang có xu hướng chia

hệ thống lớn thành các hệ thống điện nhỏ hơn, giúp cho việc quản lý vận hành tốt hơn Các hệ thống nhỏ sẽ liên kết với nhau bằng các đường dây cao áp một chiều (HVDC) hoặc qua các trạm chuyển đổi Back-to-Back Đối với nước Mỹ, chi phí cho việc này vào khoảng 8 đến 10 tỷ USD (theo nghiên cứu của hội đồng hợp tác năng lượng Đông Bắc), nếu so với sự cố rã lưới năm 2003 gây thiệt hại ước tính 6

tỷ USD thì dự án trên rất đáng quan tâm, nhất là khi sự phát triển của công nghệ điện tử công suất đang làm giảm giá thành của hệ thống truyền tải một chiều (HVDC) và hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt (FACTS) Hiện nay, công ty ABB Thụy Sỹ đã phát triển thành công hệ thống truyền tải điện một chiều quy mô nhỏ cỡ khoảng vài chục MW (HVDC Light) với chi phí có thể chấp nhận được Hệ thống HVDC Light sử dụng công nghệ Transistor lưỡng cực có cổng cách ly (IGBT) có chi phí thấp hơn nhiều so với việc sử dụng Thyristor truyền thống Công nghệ IGBT còn sử dụng trong các trạm biến đổi có vai trò như nguồn áp (Voltage Source Converter), giúp giảm các sự cố của hệ thống xoay chiều như dao động điện

áp, sóng hài, bù công suất phản kháng,… Công nghệ HVDC Light đã được ứng dụng ở Mỹ (đường cáp vượt biển dài 40 km – 330 MW nối Connecticut với Long Island), Australia (180 km – 200 MW nối Murray Link với miền Nam), liên kết Mỹ

và Mexico (trạm Back-to-Back 36 MW)

*) Máy biến đổi tần số (gọi tắt là máy biến tần quay) – VFT

Hãng GE Energy (Atlanta, US), đã phát triển máy biến tần VFT – variable frequency transformer – có khả năng thay đổi tần số và góc pha điện áp một cách liên tục Cùng với ứng dụng của HVDC, máy biến tần quay có thể sử dụng để liên kết hai hệ thống điện không đồng bộ Hiện máy biến tần quay đang được sử dụng để liên kết hai hệ thống điện không đồng bộ, một tại Quebec (Canada) và một tại Laredo (Texas)

Ngoài liên kết các hệ thống điện không đồng bộ, hiện máy biến tần quay đang phát triển công nghệ ứng dụng truyền tải công suất giữa các hệ thống điện đồng bộ, trong trường hợp này, VFT đóng vai trò như bộ điều chỉnh góc pha, đã được sử dụng lần đầu tiên tại hệ thống liên kết giữa Pennsylvania với trung tâm New York, công suất 300 MW Ba gói dự án khác với tổng công suất 900 MW đang được thực hiện nối giữa Linden (New Jersey) với New York (vận hành 2009)

*) Ứng dụng ETO-Thyristor trong FACTS và HVDC

Phòng thí nghiệm Sandia National Lab (U.S.) đã phát triển thành công loại ETO-Thyristor (Emitter Turnoff Thyristor), có khả năng phản ứng nhanh (5 kHz), chịu được dòng điện lớn (4 kA) và điện áp cao (6 kV), nhưng có giá thành thấp hơn nhiều so với Thyristor thông thường Đây sẽ là loại Thyristor lý tưởng cho hệ thống điều khiển FACTS và các bộ biến đổi HVDC ETO-Thyristor hiện đang được phát triển trong các bộ bù tĩnh (STATCOM), đóng vai trò như những bộ hấp thu sự cố lưới điện (Grid shock Absorber)

*) Điều khiển dòng sự cố

Cùng với sự gia tăng của quy mô hệ thống điện, dòng ngắn mạch cũng tăng lên, dẫn đến yêu cầu cần phải thay thế thiết bị đang vận hành Điều này đỏi hỏi chi phí lớn Có một cách khác để không phải nâng cấp thay thế thiết bị, đó là sử dụng các

bộ giới hạn dòng sự cố - Fault current limiter (FCL) – là sự phối hợp hoạt động giữa cuộn dây cảm kháng thấp và cáp siêu dẫn chịu nhiệt (High-Temperature Superconductor cable- HTS cable) Các bộ giới hạn dòng sự cố đang được lắp đặt thử nghiệm tại Mỹ và Nhật

Các công ty sản xuất vật liệu điện siêu dẫn của Mỹ cũng đang phát triển loại cáp điện sử dụng bộ ổn định trở kháng cao (high-Resistance stabilizer cable) Loại cáp này có đặc điểm, khi ở trạng thái bình thường, dòng điện được chạy trong lớp vật liệu siêu dẫn HTS, nhưng khi xảy ra sự cố, lớp trở kháng cao sẽ hoạt động và cách ly sự cố, khi hết sự cố, lớp siêu dẫn lại hoạt động bình thường

Nhìn chung, sự phát triển của công nghệ điện tử công suất có ảnh hưởng rất lớn tới công nghệ và quan điểm truyền tải điện Truyền tải điện một chiều đang dần được chú ý vì những ưu điểm trong cách ly sự cố, liên kết các hệ thống điện không đồng bộ, khả năng tải công suất lớn, ít hành lang tuyến và chi phí đầu tư ngày càng giảm

*) Những nỗ lực phát triển trong truyền tải điện siêu cao áp một chiều

Hiện nay, Công nghệ truyền tải điện siêu cao áp một chiều +/- 600 kV đã được làm chủ (kinh nghiệm trên 20 năm), riêng cấp điện áp trên +/- 600 kV thì cần được phát triển thêm, chủ yếu là thử nghiệm thiết bị trong trạm biến đổi Còn đối với đường dây truyền tải điện, các thông số thiết kế cho truyền tải đã hoàn toàn xác định Theo thống kê, nếu làm quyết liệt thì một hệ thống truyền tải siêu cao áp một chiều +/- 600 kV có thể hoàn thành thiết kế trong 3 năm

1.2/ NGUYÊN LÝ & CẤU TẠO HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN HVDC

1.2.1/ Nguyên lý của hệ thống HVDC

Hình 1- 1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống truyền tải HVDC

Quá trình truyền tải điện năng giữa trạm truyền (chỉnh lưu) tới trạm nhận (nghịch lưu) là quá trình truyền tải điện năng giữa hai trạm biến đổi Tại trạm chỉnh lưu, 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 chuyển đổi điện xoay chiều

thành một chiều và được truyền trên đường dây một chiều đến trạm biến đổi kia Điện áp và dòng 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 nghịch lưu, điện áp và dòng điện một chiều từ đường dây truyền tải điện qua bộ biến đổi chuyển thành điện áp và dòng điện 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 các 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 cấp bởi các nguồn phản kháng

1.2.2/ Cấu tạo của hệ thống HVDC

Một hệ thống truyền tải HVDC gồm các thiết bị chính sau: trạm biến áp, bộ lọc xoay chiều, bộ biến đổi, bộ lọc một chiều, cuộn san dòng, đường dây truyền tải một chiều, nguồn phản kháng, hệ thống nối đất & đường trở lại, hệ thống bảo vệ & điều khiển

Hình 1- 2: Cấu trúc hệ thống HVDC

Hình 1- 3: Cấu trúc bộ biến đổi 12 xung

Các van được làm mát bằng không khí, nước, dầu hay khí Freon Việc làm mát bằng chất lỏng sử dụng nước khử ion hóa là hiệu quả hơn cả và góp phần giảm tổn thất trong trạm Khả năng tải của một nhóm van thông thường bị hạn chế bởi dòng ngắn mạch hơn là yêu cầu mang tải trong chế độ xác lập Thiết kế van được dựa trên khái niệm mô-đun, mỗi mô-đun bao gồm một số lượng xác định các Thyristor ghép nối tiếp nhau hoặc 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 4 kA và điện áp làm việc 8 KV

Hình 1- 4: Hình ảnh một mô-đun Thyristor

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 van được tạo ra trong bộ điều khiển và được truyền tới mỗi Thyristor thông qua một hệ thống cáp quang dẫn hướng Tín hiệu quang nhận được tại 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 van là các thiết bị bảo vệ: quá áp, quá nhiệt,… Gần đây người ta còn sử dụng bộ biến đổi nguồn áp VSC 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 van đơn lẻ trong cầu biến đổi được cấu thành từ một số các Transistor có cực điều khiển cách ly IGBT 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

Hình 1- 5: Bộ biến đổi gồm nhiều mô-đun Thyristor ghép lại với nhau

b/ Trạm biến áp:

Trạm biến áp bao 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 hoặc tam giác; phía sơ cấp máy biến áp nối sao được liên kết song song

Hình 1- 6: Trạm biến áp một chiều 800 KV

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 trạng 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 mạch xoay chiều thay đổi, góp phần làm giảm công suất phản kháng cung cấp cho

bộ biến đổi

c/ 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 được của lưới điện Bộ lọc có thể 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

Hình 1- 7: Bộ lọc xoay chiều 3 pha

d/ Các bộ lọc một chiều:

Ở phía một chiều, 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 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, việc lắp đặt bộ lọc một chiều là cần thiết Các bộ lọc phía một chiều thường có giá thành thấp hơn bộ lọc

phía xoay chiều

Hình 1- 8: Bộ lọc một chiều 500 KV

e/ 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 dường dây truyền tải một chiều

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

Hình 1- 9: Cuộn san dòng lõi không khí

f/ 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, 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 đầu ra của các bộ biến đổi

Hình 1- 10: Nguồn công suất phản kháng tụ điện

g/ 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 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 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 loại 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 1 km 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 là 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 hai 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

khoan sâu dưới lòng đất do điện trở suất của lớp đất gần bề mặt thường khá cao

i/ Hệ thống điều khiển và bảo vệ:

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 được công suất qua hệ thống 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 điều chỉnh điện áp máy biến áp của bộ biến đổi Mỗi một phía có một hệ thống điều khiển của nó Hai hệ thống điều khiển của hai trạm ở hai đầu hệ thống HVDC 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 có tất cả các chức năng cho 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 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

Hình 1- 11: Trung tâm điều khiển hệ thống HVDC

1.3/ ƢU NHƢỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN CAO ÁP MỘT CHIỀU SO VỚI XOAY CHIỀU TRUYỀN THỐNG

a) Lý do kinh tế:

- Suất đầu tư cho đường dây truyền tải một chiều thấp hơn xoay chiều do thiết

kế cột của đường dây gọn nhẹ hơn Thông thường khi tính toán kinh tế đối với các

dự án truyền tải trên thế giới, suất đầu tư cho đường dây DC bằng 0,8 lần đường dây AC cùng điện áp, số mạch.

- Hành lang tuyến của đường dây HVDC nhỏ hơn HVAC do thiết kế cột gọn nhẹ hơn, số mạch ít hơn Ảnh hưởng của điện trường tĩnh đến sức khỏe con người tương tự như từ trường trái đất và không cần được tính toán kỹ như đường dây xoay chiều Hành lang tuyến nhỏ gọn nên chi phí đền bù, giải phóng mặt bằng thấp hơn

- Tổn thất công suất trên đường dây truyền tải của hệ thống DC thấp hơn AC cùng điện áp Tổn thất của đường dây DC chỉ bằng 80% đường dây AC khi truyền tải cùng công suất, khoảng cách Điều này dẫn đến chi phí tổn thất điện năng của hệ thống HVDC thấp hơn HVAC

- Chi phí đầu tư cho trạm chuyển đổi AC-DC và DC-AC cao hơn rất nhiều so với chi phí xây dựng trạm biến áp xoay chiều, chi phí này cần được bù đắp bởi chi phí giảm được của đường dây một chiều và tổn thất điện năng Khoảng cách càng dài thì truyền tải một chiều càng có lợi, từ đó xuất hiện một điểm cân bằng, tại đó 2

hệ thống DC và AC có tổng chi phí tương đương Điểm cân bằng thường được tính theo chiều dài và có khoảng cách từ 500-800 km Đối với hệ thống HVDC sử dụng cáp vượt biển thì khoảng cách này ngắn hơn nhiều so với đường dây trên không

b) Lý do kỹ thuật:

- Đường dây siêu cao áp một chiều không có công suất phản kháng, chỉ truyền

tải công suất tác dụng nên không gặp các vấn đề về quá điện áp trên đường dây dài như hệ thống xoay chiều

- Liên kết 2 hệ thống điện không đồng bộ: Hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều HVDC có thể giúp trao đổi công suất giữa các hệ thống điện khác nhau về tần

số, điều độ vận hành, thậm chí có thể liên kết giữa hệ thống điện mạnh với hệ thống điện yếu hơn nhiều mà không làm ảnh hưởng đến nhau

- Đối với những đường cáp biển có chiều dài trên 50 km thì truyền tải bằng đường cáp xoay chiều là không khả thi, trong khi đó, cáp HVDC có thể truyền tải hàng trăm km (lên đến 600 km)

- Hệ thống HVDC có khả năng cách ly sự cố rã lưới và tăng độ ổn định hệ thống điện Sự cố rã lưới năm 2003 ở Bắc Mỹ gây hậu quả rất nghiêm trọng, gây mất điện trên diện rộng và chỉ dừng lại khi gặp đường dây một chiều liên kết với Canada Nhiều hệ thống HVDC có khả năng phát ra công suất phản kháng độc lập với công suất tác dụng, do đó có tác dụng như nguồn áp, có thể cấp điện cục bộ cho những hệ thống điện yếu, tăng ổn định hệ thống điện

- 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

1.4/ CÁC CẤU HÌNH CỦA HVDC

1.4.1/ Hệ thống truyền tải HVDC liên kết đơn cực (Monopolar link)

Hình 1- 12: Hệ thống truyền tải HVDC liên kết đơn cực

Trong cấu hình này có một dây dẫn cực tính dương hoặc âm (thông thường là âm) Đất hoặc nước biển được sử dụng làm đường trở về Do gây ra một số hiện tượng xấu chẳng hạn như ăn mòn hóa điện cực nối đất, vì vậy trong một số trường hợp phía nối đất của trạm chỉnh lưu và nghịch lưu có thể được liên kết với nhau bằng một dây kim loại Khi dùng cáp có vỏ bọc bằng kim loại thì vỏ bọc sẽ được sử dụng làm đường về

Hệ thống đơn cực hiện đại áp dụng cho đường dây trên không có thể truyền tải công suất lên đến 1500 MW Nếu sử dụng cáp ngầm dưới đất hoặc biển thì điển hình có thể mang tải tới 600 MW

Ưu điểm: sơ đồ tương đối đơn giản, giảm chi phí đường dây, có thể mở rộng

thành sơ đồ hai cực để tăng công suất truyền tải

Nhược điểm: độ tin cậy & linh hoạt không cao, công suất truyền tải không lớn

1.4.2/ Hệ thống truyền tải HVDC lƣỡng cực (Bipolar link)

Hình 1- 13: Hệ thống truyền tải HVDC lưỡng cực

Trong cấu hình này một cặp đường dây có điện thế ngược dấu được sử dụng, vì

vậy các đường dây này phải được cách điện đầy đủ Chi phí cho hệ thống truyền tải

điện một chiều lưỡng cực cao hơn cấu hình liên kết đơn cực với một đường dây trở

về Đường dây truyền tải điện một chiều lưỡng cực có hiệu quả tương đương đường

dây truyền tải điện xoay chiều mạch kép Khi mang tải bình thường, dòng điện chạy

vào đất rất nhỏ giống như trường hợp đơn cực có dây dẫn trở về, do đó giảm thiểu

được tổn thất do dòng điện tiếp đất và giảm ảnh hưởng tới môi trường Khi có sự cố

trên một đường dây, với các điện cực nối đất được sử dụng làm đường về thì đường

dây sẽ tiếp tục vận hành trong trạng thái đơn cực Với công suất truyền tải so với

đường dây đơn cực, thì đường dây lưỡng cực chỉ phải mang một dòng điện có giá

trị phân nửa so với đường dây đơn cực Khi đi qua các địa hình bất lợi thì hai đường

dây có thể đi trên các hàng cột khác nhau, phòng khi có một đường dây bị sự cố thì

đường dây còn lại vẫn truyền tải một phần công suất Khi điện trở đất cao có thể

lắp đặt thêm đường dây trở về, đường dây này không đòi hỏi mức cách điện cao và

có thể sử dụng làm dây chống sét cho đường dây trên không, nếu được cách điện

đầy đủ thì có thể sử dụng làm dự phòng Trên thực tế cấu hình này được sử dụng

khá phổ biến

Ưu điểm: độ tin cậy và tính linh hoạt cao, khả năng truyền tải công suất lớn gấp

đôi sơ đồ đơn cực, ít gây nhiễu hơn sơ đồ đơn cực, dễ dàng thay đổi chiều công suất

truyền tải

Nhược điểm: Chi phí cao hơn sơ đồ đơn cực

1.4.3/ Hệ thống truyền tải HVDC cùng cực tính (Homopolar link)

Hình 1- 14: Hệ thống truyền tải HVDC cùng cực tính

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

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

này hệ thống HVDC lưỡng cực gồm hai hệ thống HVDC đơn cực

Ưu điểm:

- Độ tin cậy và tính linh hoạt cao Hệ thống vẫn có khả năng truyền tải điện năng trong trường hợp một cực kia gặp sự cố vì bất kỳ lý do gì Mỗi

hệ thống có thể vận hành trên hệ thống độc lập của nó và đất như là một đường dẫn trở về

- Khả năng truyền tải công suất lớn gấp đôi sơ đồ đơn cực

Nhược điểm:

- Chi phí cao hơn sơ đồ đơn cực

- Gây ăn mòn điện hóa các đường ống ngầm xung quanh điện cực nối đất

1.4.4/ Hệ thống truyền tải HVDC đối lƣng (Back to Back)

Hình 1- 15: Hệ thống truyền tải HVDC đối lưng

Cả hai bộ biến đổi chỉnh lưu và nghịch lưu được đặt ở cùng một chỗ, thông thường trong cùng một tòa nhà và chiều dài của đường dây tải điện một chiều chỉ là một vài mét Các trạm back to back thông thường được sử dụng để:

- Kết nối hai hệ thống có tần số khác nhau

- Kết nối hai mạng điện có cùng tần số nhưng không có sự liên hệ pha cố định

- Kết nối các hệ thống có tần số và số pha khác nhau

Do chiều dài đường dây tải điện ngắn nên cấp điện áp một chiều là khá thấp khoảng từ 50 ÷ 150 kV để giảm giá thành Hơn nữa vì hai hệ thống biến đổi được đặt cùng một nơi vì thế rất thuận tiện cho việc vận hành, điều khiển, bảo dưỡng Cấu hình này thích hợp khi liên kết hai hệ thống có tần số khác nhau

1.4.5/ Hệ thống truyền tải HVDC nhiều điểm đấu

Hình 1- 16: Hệ thống truyền tải HVDC nhiều điểm đấu

Cấu hình này có nhiều hơn hai bộ biến đổi Trong trường hợp này bộ biến đổi 1

và 3 có thể coi vận hành như là một bộ chỉnh lưu Trong khi đó bộ biến đổi 2 vận hành như một bộ nghich lưu Hoặc ngược lại bộ biến đổi 2 vận hành như một bộ chỉnh lưu còn bộ biến đổi 1 và 3 vận hành như một bộ nghich lưu Nếu tất cả các trạm nối cùng cấp điện áp thì gọi là hệ thống HVDC nhiều điểm đấu song song Nếu có một hay nhiều trạm biến đổi đấu nối tiếp vào một cực hoặc cả hai cực gọi là

hệ thống HVDC nhiều điểm nối tiếp Hệ thống HVDC nhiều điểm đấu được sử dụng để rút công suất dọc đường hoặc mở rộng hệ thống điện một chiều sẵn có

Ưu điểm: làm tăng tính linh hoạt của hệ thống một chiều

Nhược điểm: hiệu quả kinh tế không cao vì phải xây dựng thêm các trạm biến đổi làm phức tạp sơ đồ nối dây

1.4.6/ Một số sơ đồ khác

Ngoài các dạng sơ đồ phổ biến nêu trên, còn có sơ đồ nối trực tiếp máy phát với

bộ chỉnh lưu thông qua máy biến áp, sơ đồ này hay được sử dụng cho các máy phát thủy điện và tua bin gió Tần số của điện áp xoay chiều không phụ thuộc vào tốc độ của tuabin Nếu hệ thống chỉ truyền tải công suất theo một sơ đồ cố định thì phía chỉnh lưu có thể thay thế Thyristor bằng Diode để giảm giá thành Khi đó phía xoay

chiều yêu cầu mạch cắt tốc độ cao để bảo vệ quá dòng cho Diode khi ngắn mạch trên đường một chiều Trên cơ sở các sơ đồ cơ bản nêu trên, tùy theo các điều kiện

và các yêu cầu thực tế mà có thể phát triển thành nhiều dạng sơ đồ khác nhau

Hình 1- 17: Cấu trúc hệ thống HVDC sử dụng năng lượng gió

1.5/ MỘT SỐ HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN HVDC TRÊN THẾ GIỚI

1.5.1/ Itaipu, hệ thống truyền tải HVDC lớn nhất trên thế giới

Cho đến nay hệ thống truyền tải điện HVDC Itaipu của Brazil là hệ thống ấn tượng nhất thế giới Công suất truyền tải lên tới 12,6 GW và điện áp DC lên tới ±

600 kV Hệ thống gồm hai đường dây lưỡng cực mang tải công suất 12,6 GW của nhà máy thủy điện Itaipu (tần số 50 Hz) phát vào hệ thống 60 Hz ở Saopaolo

Việc truyên tải được bắt đầu trên lưỡng cực thứ nhất vào tháng 10 năm 1984,

và trên lưỡng cực thứ hai vào tháng 7 năm 1987

Hình 1- 18: Hệ thống truyền tải HVDC Itaipu-saopaolo

Hệ thống truyền tải HVDC được lựa chọn bởi 2 lý do chủ yếu như sau:

- Truyền tải công suất từ máy phát tần số 50 Hz vào hệ thống 60 Hz

- Tính kinh tế khi truyền tải điện năng qua một khoảng lớn

Một số thông số kỹ thuật của hệ thống:

- Thời gian đi vào vận hành: 1984 – 1987

- Công suất truyền tải: 12,6 GW

Kết nối HVDC đã cho thấy tính hợp lý đối với cả phụ tải công nghiệp và dân cư, không chỉ bởi lượng công suất bổ sung lớn mà còn hiệu quả cải thiện ổn định vốn

có của liên kết HVDC trên lưới xoay chiều

Hình 1- 19: Hệ thống truyền tải HVDC Itaipu-saopaolo

Một số thông số kỹ thuật của hệ thống:

- Thời gian đi vào vận hành: 1998

- Công suất truyền tải: 440 MW

- Cấp điện áp một chiều: 350 KV

- Chiều dài của đường dây trên không: 430 km

- Chiều dài đoạn cáp ngầm qua biển: 21 km

1.5.3/ Hệ thống HVDC Rihand – Delhi, India

Nhà máy nhiệt điện chạy than được xây dựng ở quận Sonebhadra của bang Uttar Pradesh có công suất 3 GW Một phần công suất của nhà máy (1,5 GW) được truyền tải bởi đường dây HVDC lưỡng cực Rihand-Delhi có cấp điện áp DC ± 500

kV Phần công suất còn lại được truyền tải bằng đường dây xoay chiều hai mạch

400 kV

Hình 1- 20: Hệ thống truyền tải HVDC Rihand – Delhi, India

Mục đích chính của liên kết HVDC là truyền tải điện năng một cách hiệu quả và kinh tế nhất vùng phía Bắc, đáp ứng cấp bách nhu cầu về điện của khu vực này Một

số lí do chủ yếu dẫn đến việc lựa chọn liên kết HVDC thay cho liên kết xoay chiều

400 kV là: hiệu quả kinh tế cao, yêu cầu hành lang tuyến giảm đi một nửa, tổn thất truyền tải thấp hơn, độ ổn định và khả năng điều khiển tốt hơn

Một số thông số kỹ thuật của hệ thống:

- Thời gian đi vào vận hành: 1990

- Công suất truyền tải: 1,5 GW

- Cấp điện áp một chiều: ± 500 kV

- Chiều dài của đường dây trên không: 814 km

Hình 1- 21: Bản đồ vị trí một số dự án HVDC trên thế giới

CHƯƠNG 2: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CHO PHÍA CHỈNH LƯU & NGHỊCH

LƯU CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI HVDC

BỘ BIẾN ĐỔI

Một hệ thống HVDC yêu cầu một bộ biến đổi công suất có khả năng biến năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều và ngược lại Có hai dạng cấu hình cho bộ biến đổi 3 pha cơ bản là:

- Bộ biến đổi nguồn dòng (CSC)

- Bộ biến đổi nguồn áp (VSC)

Hình 2- 1: Bộ biến đổi nguồn dòng và bộ biến đổi nguồn áp

Trong thời gian từ 1950-1990, hầu như các bộ biến đổi của hệ thống HVDC chỉ

sử dụng cấu hình CSC Từ đầu những năm 1950 đến giữa những năm 1970, CSC sử dụng van thủy ngân hồ quang, và sau đó hầu như được thay thế bởi van Thyristor

Từ khoảng năm 1990 trở đi, lựa chọn VSC trở nên hiệu quả kinh tế do sự sẵn

có của các van công suất cao tự đóng ngắt mới (chẳng hạn như các GTO và IGBT)

và khả năng tính toán của các bộ xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processor) để tạo ra các mô hình kích mở thích hợp

Hệ thống truyền tải HVDC hiện đại có thể sử dụng các bộ biến đổi nguồn dòng truyền thống (CSC) hoặc là bộ biến đổi nguồn áp (VSC) Hai bộ biến đổi thực tế là các cặp của nhau Tuy nhiên, việc lựa chọn phương án nào cho một dự án cụ thể

dựa trên chỉ tiêu kinh tế và các yếu tố khác So sánh các đặc điểm của hai loại bộ biến đổi được thực hiện trong bảng 2.1 Tuy nhiên, hiện nay VSC còn hạn chế công suất dưới 250 MW do các hạn chế về thương mại và thực tế của các van điện tử

Bảng 2- 1: Bảng so sánh hai bộ biến đổi CSC và VSC

- Yêu cầu một bộ tụ điện làm nhiệm

vụ lưu trữ năng lượng

- Yêu cầu một bộ lọc AC để loại bỏ

Phía

DC

- Hoạt động như một nguồn dòng

không đổi

- Yêu cầu một bộ điện kháng với

nhiệm vụ lưu trữ năng lượng

- Yêu cầu một bộ tụ điện làm nhiệm

vụ như một thiết bị lưu trữ năng lượng

- Một bộ tụ điện làm nhiệm vụ lọc DC với giá thành không cao

- Khó xác định lỗi phía đường dây DC khi tụ điện được nạp sẽ phóng điện tạo ra sự cố

- Tổn hao chuyển mạch thấp hơn

- Chuyển mạch diễn ra ở tần số cao

- Tổn hao chuyển mạch cao hơn

- Điện áp một chiều lên đến 100 KV

Chương này sẽ trình bày lý thuyết được đơn giản hóa và cách tiếp cận tính chất làm việc của hai bộ biến đổi này

2.1 BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN DÕNG CSC

Xem xét phân tích lý thuyết của một bộ biến đổi cầu 6 xung thường, các giả định được thực hiện như sau:

 Dòng một chiều Id là không đổi (tức là cuộn san dòng Ld là vô cùng)

 Các van là các khóa lý tưởng

 Hệ thống dòng xoay chiều là vô cùng mạnh (tức là các sức điện động cảm ứng 3 pha cân bằng và hình sin hoàn toàn)

Hình 2- 2: Mạch cầu 6 xung

Vì có điện kháng tản Lc của máy biến áp bộ biến đổi nên chuyển mạch của van không xảy ra tức thời Trùng dẫn là cần thiết và phụ thuộc vào thông số mạch Trường hợp tổng quát nhất, điện kháng tản của máy biến áp bộ biến đổi với giá trị đặc trưng từ 13-18% có thể hai hoặc là ba van dẫn đồng thời Về cơ bản, điều này kết quả như là một góc chuyển mạch µ nhỏ hơn 60˚, thường từ 20˚-25˚ Trong thời gian chuyển mạch có ba van dẫn đồng thời, tuy vậy ở giữa các lần chuyển mạch chỉ

có hai van dẫn Trường hợp hai hoặc là ba van dẫn được hiển thị trong hình 2-3

Hình 2- 3: Ảnh hưởng của trùng dẫn lên số lượng các van dẫn

Để lấy được các mối liên hệ giữa các biến số ở phía AC-DC của bộ biến đổi, hai trường hợp sau được xem xét: đầu tiên, với một bộ biến đổi lý tưởng không có điện kháng tản (chuyển mạch) tức là không có góc trùng dẫn chuyển mạch Và thứ hai, với một điện kháng tản dẫn đến góc trùng dẫn chuyển mạch nhỏ hơn 60˚

2.1.1 Trường hợp không có góc trùng dẫn chuyển mạch

Các sức điện động cảm ứng pha tức thời của nguồn xoay chiều 3 pha là:

Các sức điện động cảm ứng dây tương ứng là :

Các dạng sóng được hiện thị trong hình 2.3

Hình 2- 4: Dạng sóng của điện áp dây và điện áp pha

Các điện áp một chiều qua cầu là khác với điện áp pha, chẳng hạn như miền gạch chéo A0 (hình 2-4) trong thời gian đó van T1 và T5 đang dẫn

Điện áp một chiều trung bình Vd xác định bằng việc lấy tích phân điện áp tức thời trong thời gian 60˚

Ở đây: Vd0 được gọi là điện áp một chiều không tải lý tưởng với α = 0˚

Em là điện áp đỉnh xoay chiều ; ELL là điện áp dây hiệu dụng

Mạch tương đương của bộ biến đổi chỉ với hai van dẫn hiển thị trong hình 2-4

Hình 2- 5: Bộ biến đổi cầu với hai van dẫn

Với một góc trễ α, Tích phân có hạn được tăng bởi α, và do đó:

Mối quan hệ giữa dòng xoay chiều và dòng một chiều

Giả sử không có tổn thất cầu, nguồn xoay chiều cấp vào trong cầu là tương đương nguồn một chiều phát ra từ cầu, tức là:

Ở đây IL1 là thành phần tần số cơ bản của dòng điện dây và ϕ là góc pha giữa điện áp dây và dòng điện dây Điện áp dây và dòng điện dây được mô tả trong hình 2-6, Dòng điện dây có dạng chữ nhật, và với không có trùng dẫn tức là không có góc trễ, nó sẽ cùng pha với điện áp dây Tuy nhiên, với có trễ, dòng này sẽ bị thay thế bởi góc α