Khảo sát phân bố công suất trong hệ thống điện có đường dây HVDC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI ĐIỆN HVDC 1.1 Lịch sử phát triển công nghệ truyền tải điện một chiều Điện một chiều DC được phát minh ra bởi Thomas Alva Edison 1847-1931, hệ thốn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI ĐIỆN HVDC

1.1 Lịch sử phát triển công nghệ truyền tải điện một chiều

Điện một chiều (DC) được phát minh ra bởi Thomas Alva Edison (1847-1931), hệ thống truyền tải điện đầu tiên là hệ thống điện một chiều, công suất thấp

và điện áp thấp

Năm 1929, các kỹ sư của công ty ASEA (Allmana Svenska Electriska Aktiebolaget) Thụy Điển đã nghiên cứu và phát triển hệ thống van hồ quang thủy ngân trong việc đóng cắt tần số lưới sử dụng trong việc 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 vào năm 1930 để kiểm tra hoạt động của các van hồ quang thủy ngân trong quá trình chuyển đổi chiều truyền tải và thay đổi tần số

Truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC – High Voltage Direction Current)

có những ưu điểm vượt trội hơn so với hơn so với truyền tải HVAC trong những trường hợp đặc biệt Ứng dụng thương mại đầu tiên của truyền tải HVDC là giữa đất liền Thụy Điển - đảo Gotland vào năm 1954 Đây là hệ thống van hồ quang thủy ngân đầu tiên với công suất truyền tải 20MW và tổng chiều dài 98km sử dụng cáp ngầm vượt biển Kể từ đó, truyền tải HVDC đã có sự phát triển gia tăng về số lượng

Sự ra đời của khóa Valve Thyristor đã làm cho truyền tải HVDC ngày càng trở nên thu hút hơn Năm 1972, các van thể rắn được ứng dụng đầu tiên tại Canada thuộc tỉnh New Brunswick và Quebec Van Thyristor ngày nay đã trở thành thiết bị chuẩn cho các trạm biến đổi DC Sự phát triển gần đây trong thiết bị chuyển đổi đã làm cho kích thước cũng như chi phí đầu tư được giảm đáng kể và độ tin cậy của nó được cải thiện đáng kể Những phát triển này đã dẫn đến sự sử dụng rộng rãi hơn của truyền tải HVDC Tại Bắc Mỹ, tổng công suất của các liên kết HVDC năm

1987 là hơn 14.000MW[1] Cho đến thời gian gần đây cùng với sự phát triển của các linh kiện bán dẫn công suất lớn đã thúc đẩy truyền tải HVDC đến những thành

công vượt bật với đường dây lớn hơn 2000km, 800kV DC lưỡng cực, lớp Thyristor Classic, công suất 64000MW[13] tại Xiangjiaba – Shanghai, Trung Quốc và thời gian xây dựng kỷ lục 1 năm

Tính đến nay, sự phát triển của công nghệ HVDC đã trải qua các thế hệ van như: Van hồ quang thuỷ ngân (1954), Thyristor thế hệ 1 (1970) Thyristor thế hệ 2 (1980), Transistor – IGBT (2000) Kể từ năm 2000 trở đi công nghệ truyền tải cao

áp một chiều với công nghệ hiện đại của linh kiện bán dẫn với tên gọi mới cho công nghệ chuyển đổi là HVDC Light[19]

Trên thế giới đã có 79 công trình truyền tải điện 1 chiều được xây dựng (trong

đó có 33 trạm Back to Back, 46 đường dây truyền tải), có 6 công trình sẽ vận hành giai đoạn từ nay đến 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 500kV 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 MW[9]

Bảng 1.1 Danh sách liệt kê các công trình đường dây truyền tải HVDC được xây dựng, vận hành và dự kiến vận hành trên thế giới từ 2010 đến nay[20]

Tên ngầmCáp

(km)

Dây trên không (km)

Điện áp (kV)

Công suất (MW)

Năm Loại Ghi chú

ABB, Siemens, NR

(Protetion

& Control)

Yunnan

Ningxia

Hulunbeir

ABB, NR (Protetion

& Control)

StoreBælt 56 400 600 2010* Thyr

Pirelli

North Shaanxi

Shandong

Jinping - East

NR

(Protetion

& Control)

Rio Madeira

Transmission

system

3150

2013 -14 Thyr

ABB

& Alstom Mundra

Rio Madeira

Back-to-back

station

2 x

400 2013 Thyr HVDC

East West

Interconnector 40 570 350 700 2012 Thyr

Xiluodo

Ridgefield B2B

Akhaltsikhe

HVDC

Bheramara

HVDC

NR

(Protetion

& Control)

Mackinac

Railroad DC

SydVästlänke

Humeng

Xiluodo

2013-2015 IGBT Alstom

Irkutsk

-Beijing ±800 6400 2015 Thyr

Nuozhadu

TransWest

Western

HVDC

HVDC

HVDC

HVDC Finland

Jinsha River II

Goupitan

Rock Island

HVDC

Humeng

Jinsha River

Tres Amigas

Bakun

Labrador

-Island

Transmission

Link

thiết kế

Shanghai

Maritime

Transmission

công

1.2 Thành tựu mới đạt được của công nghệ truyền tải điện

Từ những năm 1970 trở lại đây, sự phát triển của khoa học kỹ thuật công nghệ

đã làm cho công nghệ truyền tải có những phát triển vượt bậc Các thành tựu đạt được của công nghệ truyền tải HVDC là đáng kể từ những yêu cầu cải tiến của nó

và sự hỗ trợ tương quan đã thúc đẩy sự phát triển của nghiệp công nghiệp điện tử công suất và cáp ngầm DC Và theo sau những loại hình ứng dụng mà HVDC đã thực hiện trong khi đó HVAC không thể làm được:

- Kết nối giữa hai hệ thống có tần số khác nhau (Back to Back hoặc Point to Point) Điều này cho phép liên kết các hệ thống không đồng bộ Giúp hạn chế được nhiều sự cố mà thường gặp phải ở hệ thống truyền tải điện xoay chiều như: như dao

động điện áp, sóng hài, bù công suất phản kháng, tổn thất đường truyền, điều khiển dòng sự cố…

- Truyền tải công suất lớn trên đường truyền khoảng cách lớn hơn 600km có lợi hơn về kinh tế Xây dựng đường dây cao áp xoay chiều thường phải gánh trả một chi phí rất lớn cho việc giải tỏa hành lang an toàn truyền tải hoặc cột chống đỡ dây dẫn qua những địa hình khó khăn sông, biển, núi rừng…

- Công nghệ siêu dẫn và cáp ngầm: Công nghệ siêu dẫn nhiệt độ cao đang có

xu hướng phát triển nhanh chóng Dây dẫn sử dụng vật liệu siêu dẫn chịu nhiệt có thể cho phép dẫn dòng cao gấp 2 đến 3 lần dây dẫn bình thường Các đường dây trên không sử dụng dây nhôm lõi composite, có thể thay thế dây nhôm lõi thép thông thường nhưng công suất truyền tải gấp 2 lần, rất phù hợp cho việc truyền tải điện trong các thành phố lớn mà hành lang an toàn hạn chế Cáp ngầm dưới nước khoản cách lớn hơn 30km Với AC là không thể vì điện dung cao (μF) đòi hỏi phải

có bù

1.3 Cấu hình hệ thống HVDC

Các kết nối DC được phân thành ba loại chính:

- Kết nối đơn cực

- Kết nối lưỡng cực

- Kết nối đồng cực

1.3.1 Kết nối đơn cực

Hình 1.1 Kết nối đơn cực Cấu hình cơ bản của kết nối đơn cực được mô tả trong hình 1.1 Hệ thống dùng một dây dẫn, có có cực tính âm Đường dây trở về thường là dùng đất hay nước Các khảo sát cân nhắc về chi phí thường đi đến việc dùng hệ thống này

truyền tải bằng cáp ngầm Đây là cấu hình tiên phong cho việc phát triển lên cấu hình lưỡng cực

Thay vì sử dụng đường dây trở về qua đất, trong trường hợp điện trở đất quá lớn hoặc có thể ảnh hưởng nhiễu loạn thông tin, tín hiệu đến các công trình ngầm / dưới nước người ta có thể sử dụng đường dây kim loại làm đường dây trở về trong trường hợp điện áp thấp

1.3.2 Kết nối lưỡng cực

Kết nối lưỡng cực được trình bày trong hình 1.2 Kết nối này có hai dây, một dây dương và một dây âm Mỗi đầu điều có một bộ biến đổi điện áp có điện áp định mức bằng nhau, mắc nối tiếp về phía 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 trong hai cực bị cô lập do sự

cố trên đường dây dẫn, cực kia vẫn có thể hoạt động với đất là đường dây trở về và mang nửa tải Nhược điểm là chi phí xây dựng đường dây và trạm chuyển đổi cao hơn cấu hình đơn cực

Hình 1.2 Kết nối lưỡng cực Theo quan điểm chống sét, đường dây lưỡng cực được xem như hiệu quả tương đương với đường dây xoay chiều hai mạch Trong hoạt động thường ít có ảnh hưởng nhiễu hoạ tần đến các công trình lân cận Việc đảo chiều công suất được thực hiện bằng cách thay đổi cực tính hai cực thông qua bộ điều khiển

Trong trường hợp dòng tản qua đất không được thuận lợi hoặc khi không thực hiện tốt được việc nối đất do điện trở đất quá cao hoặc ảnh hưởng đến các công trình ngầm lúc này có thể dùng đường dây dẫn thứ ba làm đường dây 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

Từ 2 kết nối đơn cực và lưỡng cực, có các kiểu kết nối hệ thống truyền tải điện một chiều sau:

- Trạm Back-to-Back: Sử dụng khi 2 hệ thống xoay chiều được đấu nối với nhau ở cùng một địa điểm, không cần đường dây truyền tải giữa các cầu chỉnh lưu – nghịch lưu, có thể dùng cấu hình đơn cực hoặc lưỡng cực Trạm Back-to-Back thường ứng dụng khi đấu nối 2 hệ thống điện khác tần số cơ bản, hoặc các hệ thống không đồng bộ Vì các bộ biến đổi nằm tập trung nên thuận lợi cho việc điều khiển

và bảo dưỡng thiết bị

- Kiểu kết nối giữa 2 trạm: Được sử dụng khi phương án xây dựng đường dây truyền tải cao áp một chiều tỏ ra kinh tế nhất khi đấu nối 2 trạm chuyển đổi ở 2 vị trí cách xa nhau, đây là kiểu truyền tải 1 chiều phổ biến nhất hiện nay Mỗi mạch đường dây một chiều ± 500kV (2 cực) có khả năng tải khoảng 3000MW, thông thường sử dụng đường dây trên không, tải lượng công suất lớn đi khoảng cách rất xa

- Kiểu truyền tải giữa nhiều trạm: Khi có từ 3 trạm chuyển đổi trở lên ở các vị trí địa lý khác nhau đấu vào cùng một hệ thống một chiều, có thể đấu nối tiếp hoặc song song Khi tất cả các trạm có cùng điện áp kết nối thì gọi là kiểu kết nối song song, sử dụng khi công suất trạm lớn hơn 10% tổng công suất trạm chỉnh lưu Nếu một hoặc nhiều bộ chuyển đổi được kết nối nối tiếp vào một hay cả hai cực thì ta có kiểu kết nối nối tiếp, ứng dụng khi công suất trạm nhỏ hơn 10% tổng công suất trạm chỉnh lưu Chi phí dành cho các trạm thêm vào là rất lớn, do đó kiểu truyền tải nhiều trạm rất khó đạt được các chỉ tiêu kinh tế

- Kiểu nối bộ tổ máy: Hệ thống truyền tải điện một chiều được đấu nối vào ngay đầu ra của máy phát điện, thích hợp với các máy phát thủy điện và tuabin gió

vì có thể đạt hiệu suất cao nhất Điện năng xoay chiều nhận được phía nghịch lưu sẽ

có tần số cơ bản 50 Hz (hoặc 60 Hz) không phụ thuộc vào tốc độ tuabin

- Kiểu chỉnh lưu Diode: Ứng dụng khi công suất điện một chiều chỉ truyền tải theo một hướng duy nhất, hệ thống van chỉnh lưu chỉ cần dùng Diode thay vì Thyristor, công suất truyền tải sẽ được điều khiển ở phía nghịch lưu, đặc biệt có lợi đối với kiểu kết nối bộ tổ máy phát vì có thể điều khiển dòng công suất dựa vào điều khiển điện áp xoay chiều thông qua hệ thống kích từ máy phát Kiểu đấu nối này cần sử dụng loại máy cắt xoay chiều tốc độ cao giữa máy phát và bộ chỉnh lưu

để bảo vệ quá dòng cho Diode khi có ngắn mạch trên đường dây một chiều

Hình 1.3 Các kiểu kết nối truyền tải một chiều

1.3.3 Kết nối đồng cực

Kết nối đồng cực có cấu hình như hình 1.4 gồm hai hay nhiều dây có cùng cực tính Thường chọn cực tính âm vì ít có nhiễu thông tin do vầng quang gây ra hơn Đường trở về thông qua đất Khi có sự cố trên một dây, bộ biến đổi sẵn sàng để cung cấp cho các đường dây còn lại với chừng mực quá tải nào đó Về mặt này cấu hình đồng cực có vẻ thuận lợi hơn khi đường trở về qua đất được chấp nhận

Đa cực song song

Back-to-Back

Hệ thống 2 cực

Kiểu nối bộ Tuabin gió và thủy điện

cấp cho bộ chỉnh lưu

Đa cực nối tiếp

Trong trường hợp dòng trở về là nối đất thì có ảnh hưởng đối với các công trình là đường ống kim loại dẫn dầu hoặc khí cách đó vài dặm Khi đó các đường ống này trở thành đường dây dẫn dòng trở về Do đó, trong cấu hình này dùng đường dây trở về là đất thường không được sử dụng

nối đồng cực Trong hệ thống HVDC “lưng kề lưng” (B2B) dùng cho các liên kết không đồng bộ, được thiết kế vận hành hành đồng cực hay lưỡng cực với số nhóm khác nhau của các van cho mỗi cực phù thuộc vào mục đích liên kết và độ tin cậy mong muốn

Hầu hết các kết nối HVDC là kết nối “điểm – điểm” (PtP) bao gồm đường dây lưỡng cực và chỉ vận hành trong trường hợp khẩn cấp Chúng được thiết kế để có sự độc lập giữa các cực nhằm tránh mất điện cả đường dây lưỡng cực

1.4 Các phần tử chính trong hệ thống HVDC

Các thành phần chính trong một hệ thống HVDC được mô tả trong hình 1.5, ở đây được ví dụ bởi một mô hình lưỡng cực Sau đây là mô tả tóm lược các phần tử

hệ thống

1.4.1 Bộ biến đổi

Là một trong những thành phần quan trọng nhất của hệ thống HVDC Biến đổi AC/DC (chỉnh lưu) và DC/AC (nghịch lưu), gồm các cầu van và máy biến áp có đầu phân áp Cầu van gồm các van cao áp mắc theo sơ đồ 6 xung hoặc 12 xung Các máy biến áp biến đổi cung cấp nguồn điện ba pha với điện áp thích hợp cho các cầu van Với cuộn dây máy biến áp phía van không nối đất, hệ thống điện một chiều có thể được nối đất riêng của chính nó, thường được nối đất bởi đầu âm hay đầu dương cuối bộ cầu van

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống HVDC lưỡng cực

1.4.1.1 Van Thyristor

Thành phần không thể thiếu của bộ chuyển đổi công suất một chiều là van Van được cấu tạo từ 1 hoặc nhiều Diode công suất mắc nối tiếp gọi là van không điều khiển được, nếu cấu tạo từ chuỗi Thyristor gọi là van điều khiển được

Valve không điều khiển

được (cấu tạo từ Diode)

Cầu chỉnh lưu không điều khiển được

Valve điều khiển được (cấu tạo từ Thyristor)

Cầu chỉnh lưu điều khiển được

Hình 1.6 Ký hiệu các van và cầu chỉnh lưu Thyristor là một khóa đóng cắt bán dẫn bao gồm 4 lớp PNPN ghép nối tiếp lại,

là thiết bị chỉnh lưu có điều khiển bằng vật liệu silicon, viết tắt là SCR Cấu tạo bên ngoài của Thyristor là một khóa gồm 3 đầu cực: Anode, Cathode và Gate Dòng điện đi qua Thyristor theo một chiều từ Anode sang Cathode và thời điểm bắt đầu dẫn dòng tùy thuộc vào điều khiển cực Gate

Hình 1.7 Cấu tạo, ký hiệu và sơ đồ Thyristor Một van Thyristor được tạo ra từ một số lượng Thyristor mắc nối tiếp để có điện áp định mức mong muốn và mắc song song để có dòng điện định mức mong muốn Đối với những thế hệ Thyristor hiện đại có khả năng chịu dòng điện cao là không cần thiết Số lượng các Thyristor nối tiếp trong van được xác định theo điện

áp định mức, nguyên lý bảo vệ và sự quá áp quá độ

Thông thường các số lượng Thyristor trong một van thường được lắp dư một ít

để đề phòng, lượng Thyristor được lắp dư để dự phòng vào khoảng từ 3 – 7% tổng

số lượng Thyristor cần thiết Các van thông thường được cách điện bằng khí và làm mát có thể bằng khí, nước, dầu hay freon Trong các trạm biến đổi ngày nay người

ta hay làm mát bằng nước để giảm tổn thất công suất

Hình 1.8 Các kiểu sắp xếp van Tùy theo cấu trúc lựa chọn của mạch biến đổi mà nhà sản xuất có thể chế tạo những module phù hợp, ví dụ như module 2 van, 3 van hay 4 van Đối với mạch biến đổi 12 xung được dùng phổ biến hiện nay người ta hay dùng 3 bộ module 4 van ghép lại Thông thường nhà sản xuất chế tạo các module 4 van theo các cấp 50,

125, 250 kV với một dãy dòng định mức: 800A, 1000A,….2000A, 3000A…, 4000A[4] Ngoài ra để tăng cường độ an toàn và tin cậy cho các van Thyristor, hiện nay người ta đã phát triển công nghệ dùng bộ chống sét, tụ điện, cuộn kháng hạn dòng…, ghép vào module Thyristor để cải thiện các đặc tính làm việc như là chịu quá dòng, quá áp của van[8] Bên cạnh đó sự phát triển của kỹ thuật điều khiển vi điện tử để điều khiển sự hoạt động trực tiếp một cách tự động của các van nhằm thay thế kịp thời những hỏng hóc và bảo vệ an toàn cho chúng Chính những cải tiến liên tục và có hiệu quả về công nghệ đã giúp cho các trạm HVDC làm việc rất tin cậy và an toàn

1.4.1.2 Máy biến áp của bộ chuyển đổi

Hiện nay đa số tất cả các trạm biến đổi HVDC đều dùng bộ biến đổi cầu 12 xung Mức điện áp phía bộ chuyển đổi của máy biến áp dùng cho trạm back-to-back dựa vào khả năng truyền tải và dòng điện định mức của Thyristor Đối với đường dây dài, điện áp của van được xác định một cách tổng quát bằng mật độ dòng điện kinh tế nhất quan hệ theo chi phí cách điện

Một số kiểu máy biến áp cho bộ biến đổi:

- Ba pha, ba cuộn dây Dùng một máy biến áp cho mỗi phía của hệ thống

- Ba pha, hai cuộn dây Dùng hai máy biến áp cho mỗi phía của hệ thống

- Một pha, ba cuộn dây Dùng ba máy biến áp cho mỗi phía của hệ thống

- Một pha, hai cuộn dây Dùng sáu máy biến áp cho mỗi phía của hệ thống Công suất định mức của máy biến áp cũng được chọn theo công suất định mức của bộ biến đổi Do các Thyristor có khả năng chịu dòng quá tải không cao vì vậy công suất định mức của máy biến áp nên chọn sát với mức trần bình thường (mức công suất tải định mức bình thường) của bộ biến đổi