Đồ án tốt nghiệp nguyễn minh ngọc

Nhờ máy biến áp mà việc truyền tải dòng điện đi xa với điện áp cao và công suất lớn đã có thể thực hiện được trong điều kiện tổn thất thấp mà trước kia chưa thể thực hiện được với hệ thố

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

KHOA HỆ THỐNG ĐIỆN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MÔ PHỎNG TRUYỀN TẢI HVDC-CSC VÀ HVDC-VSC TRONG HỆ

THỐNG ĐIỆN TRÊN PHẦN MỀN PSS/E

Giảng viên hướng dẫn : TS NGUYỄN ĐĂNG TOẢN

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN MINH NGỌC

TẬP ĐOÀN ĐIỆN LỰC VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

KHOA HỆ THỐNG ĐIỆN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MÔ PHỎNG TRUYỀN TẢI HVDC-CSC VÀ HVDC-VSC TRONG HỆ

THỐNG ĐIỆN TRÊN PHẦN MỀN PSS/E

Giảng viên hướng dẫn : TS NGUYỄN ĐĂNG TOẢN

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN MINH NGỌC

GVHD: TS Nguyễn Đăng Toản SVTH: Nguyễn Minh Ngọc 2

Trong quá trình hiện đại hóa và công nghiệp hóa đất nước ngày này, hệ thống điện là mạch máu của quốc gia Với sự gia tăng của các loại hình phụ tải khác nhau cùng công suất của nó rất cần một công cụ hữu hiệu trong truyền tải điện và đảm bảo

sự tin cậy cung cấp điện Một trong số công nghệ đó chính là công nghệ truyền tải điện một chiều HVDC (high voltage direct control) Đây là loại công nghệ mới phát triển dựa trên những tiến bộ của ngành điện tử công suất Công nghệ HVDC này vẫn chưa được ứng dụng ở Việt Nam

Do vậy để tài nghiên cứu “Mô phỏng truyền tải HVDC-CSC và HVDC-VSC trong hệ thống điện trên phần mềm PSS/E” ra đời để đáp ứng những yêu cầu cho công tác nghiên cứu và tiến tới việc áp dụng truyền tải điện một chiều ở Việt Nam chúng ta

Đề tài nghiên cứu này nhằm tìm hiểu sâu hơn ảnh hưởng của 2 loại công nghệ truyền tải điện một đó là HVDC-CSC và HVDC- VSC Cả 2 loại công nghệ này đã và vẫn đang được triển khai ở rất nhiều dự án truyền tải điện lớn nhỏ trên thế giới

Với khoảng thời gian ngắn, tác giả đã đi vào tìm hiểu hệ thống điện một chiều trên thế giới, các mô hình kết nối, các phương thức điều khiển hệ thống điện một chiều Các kết quả mô phỏng đã được thực hiện bằng chương trình PSS/E đối với lưới điện 2 nguồn của Praha Kundur Các kết quả có thể được ứng dụng cho các hệ thống điện lớn hơn, hoặc nghiên cứu tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo vào lưới điện chính

Bản đồ án gồm hai phần: Phần I tìm hiểu và mô phỏng hệ thống đường dây một chiều, phần II là tính toán thiết kế cho một trạm biến áp treo

Hà Nội 12/2014

Nguyễn Minh Ngọc

LỜI MỞ ĐẦU

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm tác giả gặp phải nhiều khó khăn vướng mắc như nguồn tài liệu, cách thức thực hiện, những khúc mắc gặp phải trong quá trình mô phỏng… Do vậy qua đây nhóm tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới

Ts Nguyễn Đăng Toản - khoa HTĐ đã tận tình hướng dẫn, động viên nhóm tác giả trong xuất quá trình thực hiện đề tài Nhóm tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn đến Ts

Vũ Thị Thu Nga - Bộ môn VH & ĐKHTĐ đã hỗ trợ một số tài liệu hữu ích trong

quá trình NCKH của tác giả

Và lời cuối cùng nhóm tác giả xin gửi lời cảm ơn đến những người thân trong gia đình nhóm tác giả vì đã luôn săn sóc động viên tạo động lực để nhóm tác giả thực hiện tốt đề tài Nhờ có những sự giúp đỡ quý báu trên mà đề tài mới có được như hôm nay Hy vọng đề tài sẽ là nguồn đóng góp tốt hơn vào công tác nghiên cứu và giảng dạy trong ngành hệ thống điên cũng như trong sự phát triển của ngành công nghiệp đất nước

Hà Nội 12/2014

Nguyễn Minh Ngọc

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

……… ………

………

………

………

………

Hà nội, ngày tháng năm GVDH

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 2

LỜI CẢM ƠN 3

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 7

DANH MỤC CÁC BẢNG 11

KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT 13

PHẦN I MÔ PHỎNG TRUYỀN TẢI HVDC-CSC VÀ HVDC-VSC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TRÊN PHẦN MỀN PSS/E 14

CHƯƠNG 1 LỊCH SỬ VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA TRUYỀN TẢI HVDC TRÊN THẾ GIỚI 15 1.1 LỊCH SỬ CỦA KỸ THUẬT TRUYỀN TẢI ĐIỆN MỘT CHIỀU CAO ÁP HVDC 15 1.1.1 Buổi sơ khai của truyền tải điện 1 chiều HVDC 15

1.1.2 Sự phát triển của van chỉnh lưu 17

1.2 Những dự án ứng dụng truyền tải HVDC điển hình trên thế giới 19

1.3 Kết luận 21

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ HVDC CSC 22

2.1 Sơ lược về HVDC CSC 22

2.1.1 Cấu hình hệ thống HVDC CSC 22

2.1.2 Các kiểu liên kết chính 25

2.2 Điều khiển hệ thông HVDC CSC 27

2.2.1 Đặc tính điều khiển và các loại điều khiển 27

2.2.1.1 Đặc tính điều khiển 27

2.2.1.2 Các loại điều khiển 29

Hệ thống điều khiển kích thích bộ chuyển đổi 33

2.3 Sóng hài 35

2.3.1 Sóng hài phía xoay chiều AC 35

2.3.2 Sóng hài phía một chiều DC 40

2.3.3 Bộ lọc tích cực.(Active filter) 43

2.3.3.1 Bộ lọc tích cực phía xoay chiều 43

2.3.3.2 Bộ lọc tích cực phía một chiều 45

2.4 Sự cố và bảo vệ 46

2.4.1 Các dạng sự cố đối với bộ chuyển đổi 46

2.4.1.1 Sập nghịch lưu (Commutation failure) 46

2.4.1.2 Phóng điện ngược (Arcback) 48

2.4.2 Bảo vệ 48

2.4.2.1 Bảo vệ van 48

2.4.2.2 Bảo vệ thông qua hệ thống điều khiển 1 chiều 53

2.5 Kết luận 56

CHƯƠNG 3 CÔNG NGHỆ HVDC -VSC 57

3.1 HVDC-VSC là gì? 57

3.2 Cấu hình HVDC-VSC 57

3.3 Khả năng truyền tải công suất 61

3.4 Phương thức điều khiển HVDC –VSC 63

3.5 Kết luận 67

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG HVDC-CSC VÀ HVDC-VSC TRÊN HTĐ NHỎ 68 4.1 Mô phỏng HVDC- CSC 68

4.1.1 Mô phỏng tĩnh 68

4.2 Mô phỏng HVDC –VSC 73

4.2.1 Mô phỏng tĩnh 73

4.2.2 Mô phỏng động 75

4.3 Kết quả mô phỏng 75

4.3.1 Kết quả 75

4.3.2 Nhận xét 78

4.4 Kết luận 79

PHẦN II THIẾT KẾ TRẠM BIẾN ÁP TREO 320KVA-22/0,4KV 80

CHƯƠNG 5 CHỌN MÁY BIẾN ÁP VÀ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TRẠM BIẾN ÁP 81 5.1 Chọn máy biến áp: 81

5.2 Sơ đồ nguyên lý trạm biến áp: 81

5.3 Kết luận 82

CHƯƠNG 6 LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN CỦA TRẠM BIẾN ÁP 83

6.1 Lựa chọn các thiết bị điện cao áp 83

6.2 Chọn các thiết bị điện hạ áp 86

6.3 Kết luận 90

CHƯƠNG 7 TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH VÀ KIỂM TRA THIẾT BỊ 91

7.1 Tính toán ngắn mạch 91

7.1.1 Tính toán ngắn mạch phía cao áp 92

7.1.2 Tính toán ngắn mạch phía hạ áp 0,4kV : 93

7.2 Kiểm tra các thiết bị, khí cụ điện đã chọn 95

7.3 Kết luận 97

CHƯƠNG 8 TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT CHO TRẠM BIẾN ÁP 98

8.1 Điện trở nối đất của thanh 98

8.3 Điện trở nối đất của hệ thống thanh cọc 99

8.4 Kết luận 100

PHỤ LỤC - 1: THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA HTĐ 2 VÙNG, 4 MÁY PHÁT 101 PHỤ LỤC - 2: THAM SỐ TĨNH VÀ ĐỘNG CỦA ĐƯỜNG DÂY HVDC-CSC 102 PHỤ LỤC - 3: THAM SỐ TĨNH VÀ ĐỘNG CỦA ĐƯỜNG DÂY HVDC-VSC 104 PHỤ LỤC - 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TĨNH 107

PHỤ LỤC - 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐỘNG CÁC THÔNG SỐ 110

PHỤ LỤC - 6: BẢN VẼ THIẾT KẾ TRẠM BIẾN ÁP 112

Tiếng Việt: 113

Tiếng Anh: 113

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Từ trái sang: Thomas Edison – Nikola Tesla – George Westinghouse

16

Hình 1-2: Hệ thống Thury 17

Hình 1-3: Cấu tạo van hồ quang thủy ngân và bộ chỉnh lưu dùng van hồ quang thủy ngân 18

Hình 1-4: Cấu tạo và mạch tương đương của Tiristo và IGBT 19

Hình 2-1: Hành lang tuyến và cấu trúc cột của các loại đường dây AC và DC cùng tải 1 lượng công suất 2000 MW 23

Hình 2-2: Đồ thị chi phí giá xây dựng hệ thống truyền tải điện 1 chiều và xoay chiều 23

Hình 2-3: Cấu hình cơ bản của hệ thống truyền tải HVDC (HVDC lưỡng cực) 24 Hình 2-4: Liên kết HVDC đơn cực; 25

Hình 2-5: Liên kết HVDC lưỡng cực; 26

Hình 2-6: Liên kết đa trạm HVDC; a) Kiểu song song; b) Kiểu nối tiếp 26

Hình 2-7: Đặc tính điều khiển 28

Hình 2-8: a) Đường đặc tính của bộ nghịch lưu ở chế độ điều khiển điện áp; b) Sự không rõ ràng của điểm vận hành A; c) Điểm vận hành đã được xác định rõ ràng khi chuyển sang chế độ điêu khiển điện áp 30

Hình 2-9: a) Đặc tính ở chế độ điều khiển góc β ; b) Sự không rõ ràng của điểm làm việc; c) sự rõ ràng điểm làm việc khi áp dụng chế độ điều khiển góc β 31

Hình 2-10: Đặc tính V-I với dòng điện phụ thuộc vào điện áp 32

Hình 2-11: Sơ đồ khối về phân cấp điều khiển trong liên kết HVDC 33

Hình 2-12: Nguyên lý cơ bản của bộ điều khiển dao động khóa pha (phase- locked oscillator) 34 Hình 2-13: a) Dòng điện cầu 6 xung kết nối với MBA đấu Y-∆; b) Dòng điện cầu 6 xung kết nối với MBA đấu Y-Y; c) Dòng điện cầu 12 xung là tổng của 2 dòng

Hình 2-14: Dạng dòng điện pha A khi có xét đến hiện tượng trùng dẫn 37

Hình 2-15: Thành phần sóng hài bậc 11 của cầu 12 xung theo góc trùng dẫn 38

Hình 2-16: Bộ lọc cộng hưởng đơn và tổng trở theo tần số 39

Hình 2-17: a) Hai bộ lọc cộng hưởng đơn; b) Bộ lọc cộng hưởng kép 39

Hình 2-18: Mạch lọc thông cao và tổng trở của bộ lọc thông cao theo tần số 40

Hình 2-19: Thành phần các bộ lọc của bộ chuyển đổi 12 xung 40

Hình 2-20: Sóng hài điện áp 1 chiều bậc 6 của cầu 6 xung theo góc trùng dẫn 41 Hình 2-21: Dạng sóng điện áp một chiều trong trường hợp bộ chuyển đổi cầu 6 xung và cầu 12 xung 42

Hình 2-22: Bộ lọc phía DC được trạm chỉnh và nghịch lưu của Dự án HVDC- Sardinia (Italia) nối từ đất liền ra đảo 43

Hình 2-23: Bộ lọc tích cực song song 44

Hình 2-24: Bộ lọc tích cực nối tiếp 44

Hình 2-25: Bộ lọc tích cực sử dụng bộ lọc kép 45

Hình 2-26: Bộ lọc tích cực phía một chiều 45

Hình 2-27: Hiện tượng sập nghịch lưu trong quá trình chuyển mạch từ van 1 tới van 3 47

Hình 2-28: Quá trình sập nghịch lưu và điện áp 1 chiều của HT DC 47

Hình 2-29: Mạch van tiristo 49

Hình 2-30: Cấu trúc của van HVDC ở hệ thống HVDC Cheju – Haenam (Hàn Quốc) 51

Hình 2-31: Hệ thống chống sét van dùng để bảo vệ cho các van và cực 51

Hình 2-32: Khả năng quá tải của van tirito 52

Hình 2-33: Bảo vệ quá dòng đối với trạm chuyển đổi 12 xung 52

Hình 2-34: Điện áp trên đường dây 1 chiều: 1) Lúc bình thường; 2) Lúc sự duy trì; 3) Khi xóa sự cố 54

Hình 3-2: Cấu hình bộ biến đổi HDVC-VSC, a)Hai cấp, b) Ba cấp 58

Hình 3-3: a) Cấu hình bộ biến đổi đa cấp mô đun; b) Mô đun con 59

Hình 3-4: Bộ lọc thông cao bậc 2 và bậc 3 60

3-5: Cáp biển 1 chiều cho HVDC-VSC 60

Hình 3-6: Nguyên lý của phương pháp điều chê độ rộng xung hình sin 61

Hình 3-7: Giản đồ của bộ biến đổi kết lối qua lưới xoay chiều 62

Hình 3-8: Đường cong giới hạn công suất với 3 cấp điện áp AC: 0,9; 1; 1,1 63

3-9: Cấu trúc điều khiển của HVDC-VSC 64

Hình 3-10 Điều khiển trực tiếp chỉ số điều biến M và góc pha δ được 64

Hình 3-11: Điều khiển vectơtheo các thành phần dòng điện trục d,q 65

Hình 3-12: Sơ đồ các cấp điều khiển trong cấu hình HVDC-VSC 65

Hình 3-13: Mô hình cụ thể điều khiển vec tơ 66

Hình 4-1: Hệ thống 2 vùng liên kết của P Kundur 68

Hình 4-2: Hệ thống liên kết 2 vùng với được dây HVDC lưỡng cực trên PSS/E 69

Hình 4-3: Sơ đồ mô phỏng động liên kết DC với điểm sự cố tại đường 8- 9 70

Hình 4-4: Sơ đồ khối bố trí điều khiển của mô hình CDC4 71

Hình 4-5: Sự tái khởi động của áp và dòng DC sau quá trình khóa cầu chuyển đổi 71

Hình 4-6: Sự tái khởi động của áp và dòng DC sau quá trình nối tắt cầu chuyển đổi 72

Hình 4-7: Quá trình giới hạn dòng điện phụ thuộc vào điện áp 72

Hình 4-8: Mô hình VSC trên PSS/E 73

Hình 4-9: Đặc tính P-Q của HVDC Light 73

Hình 4-10: Thông số của bộ M3 – HVDC Light điện áp ±80 KV 74

Hình 4-12: Điện áp nút 7 – hệ đợn vị tương đối 76

Hình 4-13: Tần số nút 3 với 3 trường hợp mô phỏng ở trên 76

Hình 4-14: Công suất tác dụng của tải thay đổi theo sự cố tại nút 9 77

Hình 4-15: Công suất tác dụng của máy phát 4 đối với 3 trường hợp trong mô phỏng 77

Hình 5-1 Sơ đồ nguyên lý trạm treo 315kVA-22/0,4kV 81

Hình 7-1 Sơ đồ vị trí điểm ngắn mạch 91

Hình 8-1 Sơ đồ mặt bằng và mặt cắt hệ thống nối đất TBA 99

Hình PL 1: Dòng công suât và điện áp của mô phỏng tĩnh đối với trường hợp chỉ có liên kết HVAC giữa 2 vùng 107

Hình PL 2: Dòng công suất và điện áp của mô phỏng tĩnh đối với trường hợp có liên kết HVDC-CSC lưỡng cực ± 80 kV 108

Hình PL 3: Dòng công suất và điện áp của mô phỏng tĩnh đối với trường hợp có liên kết HVDC-VSC ± 80 kV 109

Hình PL 4: Công suất phản kháng nút 7 đối với trường hợp VSC ôn định gần như tực thì sau khi loại bỏ sự cố ( đường màu đỏ) 110

Hình PL 5: Công suât phản kháng nút 9 110

Hình PL 6: Công suất tác dụng trên đường dây 7-8 mạch 3 111

Hình PL 7: Công suất tác dụng trên đường dây 8-9 mạch 3 111

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-1: Các dự án truyền tải điện một chiều điển hình trên thế giới 20

Bảng 5-1 : Thông số MBA trạm treo 81

Bảng 6-1 Thông số cầu dao phụ tải 84

Bảng 6-2 Thông số chống sét van 84

Bảng 6-3 Thông số cầu chì tự rơi 85

Bảng 6-4 Thông số sứ cao thế 86

Bảng 6-5 Thông số cáp hạ thế 0,4 kV 87

Bảng 6-6 Thông số aptomat tổng 87

Bảng 6-7 Thông số aptomat nhánh 88

Bảng 6-8 Thông số thanh cái hạ áp 88

Bảng 6-9 Thông số máy biến dòng 89

Bảng 6-10 Thông số sứ đỡ thanh cái 89

Bảng 6-11 Các thiết bị đo đếm 89

Bảng 6-12 Thông số cáp điện đầu ra 90

Bảng PL 2: Thông số tải và kháng nut 7 và nút 9 101 Bảng PL 3: Tham số tĩnh tại thẻ “Lines” trong PSS/E 102 Bảng PL 4: Tham số tĩnh tại thẻ “converters” trong PSS/E 102 Bảng PL 5: Tham số động của mô hình CDC4T trong PSS/E 103 Bảng PL 6: Tham số tĩnh tại thẻ “Lines” của liên kết VSC trong PSS/E 104 Bảng PL 7: Tham số tĩnh tại thẻ “converters” của liên kết VSC trong PSS/E 104 Bảng PL 8: Tham số MBA được lựa chọn cho bộ VSC 104

Bảng PL 9: Tham số động của mô hình VSCDCT trên PSS/E 105

KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT

AC: Alternative Current

CC: Constant Current; Current control

CEA: Constant Extinction Angle

CIA: Constant Ignition Angle

DC: Dirrect Current

FACTS: Flexible Alternating Current Transmission Systems

GE: General Electric ( Company)

GTO: Gate Turn Off thyristor

(VSC-IGBT: Insulated – Gate Bipolar Transitor

MBA: Máy Biến Áp

PSS/E: Power System Simulation For Engineering

PWM: Pulse Width Modulation ( Điều chề độ rộng xung)

RoWs: Right of Way ( Hành lang tuyến)

VDCOL: Voltage - Dependent Current- Order Limit

VSC: Voltage Source Converter

PHẦN I

MÔ PHỎNG TRUYỀN TẢI HVDC-CSC VÀ HVDC-VSC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TRÊN PHẦN MỀN PSS/E

CHƯƠNG 1 LỊCH SỬ VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA TRUYỀN

TẢI HVDC TRÊN THẾ GIỚI

1.1 LỊCH SỬ CỦA KỸ THUẬT TRUYỀN TẢI ĐIỆN MỘT CHIỀU CAO ÁP HVDC

1.1.1 Buổi sơ khai của truyền tải điện 1 chiều HVDC

Vào năm 1882 nhà phát minh nổi tiếng Thomas A Edison đã đưa vào vận hành trạn điện đầu tiên trên thế giới đặt ở đường Ngọc Trai (Pearl street), thành phố New York, Mỹ Nó cung cấp điện cho một vùng dân cư có bán kính 1,6 km bằng dòng điện 1 chiều có điện áp 110 kV với đường dây đi ngầm trong lòng đất Hệ thống được cung cấp bởi một máy phát điện 1 chiều được làm quay bằng động cơ hơi nước Một vài năm sau đó việc lắp đặt các trạm điện tương tự được đưa vào vận hành ở các trục đường chính của các thành phố lớn khác trên thế giới

Vào năm 1831 Michael Faraday đã phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ - mầm mống của dòng điện xoay chiều sau này

Từ những phát hiện khoa học của Faraday và của Lenz thì vào những năm 1880 đến những năm 1890, các máy biến áp, động cơ điện xoay chiều và các mạch đa pha lần lượt ra đời Từ đó dẫn đến sự ra đời của truyền tải điện xoay chiều

Máy biến áp có thể chuyển đổi điện áp ở các cấp khác nhau thích hợp cho mục đích truyền tải Nhờ máy biến áp mà việc truyền tải dòng điện đi xa với điện áp cao

và công suất lớn đã có thể thực hiện được trong điều kiện tổn thất thấp mà trước kia chưa thể thực hiện được với hệ thống truyền tải 1 chiều

Các động cơ và máy phát điện xoay chiều không cần vành góp như động cơ và máy phát điện 1 chiều Do đó nó có công suất lớn hơn và tốc độ cao hơn so với máy điện 1 chiều Các động cơ điện xoay chiều dần được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp và khu dân cư

Hệ thống điện 3 pha cung cấp điện 1 cách tin cậy và cung cấp cho các phụ tải quay lớn dùng điện 3 pha như động cơ điện xoay chiều 3 pha Đồng thời việc sử dụng

Việc ra đời của máy biến áp, động cơ điện xoay chiều và mạch 3 pha với những

ưu điểm nổi bật so với hệ thống truyền tải điện 1 chiều đã đưa đến những cuộc tranh cãi nảy lửa về việc lựa chọn nên sử dụng hệ thống nào trong 2 hệ thống trên để truyền tải điện Đại diện cho phe truyền tải điện 1 chiều là Thomas A Edison và đại diện bảo vệ cho truyền tải điện xoay chiều là Nikola Tesla cùng George Westinghouse Cuối cùng thì Tesla và Westinghouse đã thắng Việc sử dụng điện xoay chiều đã chiếm ưu thế

Hình 1-1: Từ trái sang: Thomas Edison – Nikola Tesla – George Westinghouse

Trong thời kỳ ban đầu của điện xoay chiều AC có một hệ thống điện 1 chiều rất đáng chúng ý Đó chính là hệ thống điện 1 chiều Thury do kỹ sư người Thụy Sĩ René Thury Điểm nổi bật của hệ thống điện này là nó là hệ thống bổ xung và tăng cường cho hệ thống điện xoay chiều Hệ thống có cấu trúc như sau:

– Đầu gửi của hệ thống là các máy phát điện 1 chiều được mắc nối tiếp với nhau Chúng được làm quay bởi các tua bin nước

– Đầu nhận của hệ thống là các động cơ điện 1 chiều được mắc nối tiếp với nhau Các động cơ điện 1 chiều này làm quay máy phát điện 1 chiều hoặc máy phát điện xoay chiều từ đó cung cấp cho các phụ tải ở xung quanh

Toàn bộ hệ thống được vận hành ở dòng điện không đổi

Hình 1-2: Hệ thống Thury

Từ năm 1880 đến năm 1911 có 19 hẹ thống truyền tải điện Thury được lắp đặt ở châu âu mà trong đó dự án truyền tải điện lớn nhất phải kể đến đó là dự án truyền tải điện từ nhà máy thủy điện Muotier trên dãy An-pơ tới trung tâm phụ tải là thành phố Lion, Pháp Tổng chiều dài toàn tuyến 180 km, điện áp 57,6 kV và dòng điện là 75 A Truyền tải 1 lượng công suất 4,3 MW Dự án này về sau có thêm một số nhà máy điện kết nối vào và được phát triển lên công suất 19,3 MW và chiều dài đường dây là

225 km Nó vận hành ổn định và tin cậy cùng với hệ thống xoay chiều Đến năm

1937 thì bị dỡ bỏ do những nhược điểm của hệ thống 1 chiều khi kết nối một mạng điện phức tạp có công suất lớn cũng như sự tiến bộ của hệ thống xoay chiều Sau này với sự phát triển của các bộ chuyển đổi AC/DC và DC/AC do sự ra đời và phát triển của các van điện tử công suất đã dần dần đưa điện 1 chiều trở lại trong lĩnh vực truyền tải

1.1.2 Sự phát triển của van chỉnh lưu

Các van điện tử công suất thế hệ đầu là các ống phóng điện tử chân không, ống hơi và ống khí có cực ca – tốt phát xạ điện tử ở nhiệt độ cao, các ống phóng điện tử hơi thủy ngân với catot vũng thủy ngân Ngoài ra còn phải nói đến đó là Diode Tất

cả các van này chỉ dùng làm bộ chỉnh lưu, không thể dùng trong nghịch lưu

Về sau để các van dùng làm bộ nghịch lưu, người ta đã thêm vào các van này các cực điều khiển để ngăn việc dẫn dòng cho dù điện thế của anot vẫn lớn hơn so với

ca tốt

Năm 1906 cực điều khiển được thêm vào ống phóng điện tử chân không

Năm 1928 được thêm vào van hơi thủy ngân

Năm 1930 được thêm vào van hồ quang thủy ngân với ca tốt chậu (Pool cathode).Các van hồ quang thủy ngân về sau được sử dụng rộng rãi trong truyền tải điện 1 chiều

Hình 1-3: Cấu tạo van hồ quang thủy ngân và bộ chỉnh lưu dùng van hồ quang thủy ngân

Năm 1939 U Lamm phát minh ra hệ thống cực phân cấp (Grading electrodes) Các cực này được đặt giữa anot và cực điều khiển giúp cải thiện sự đồng bộ của gradient điện thế và làm tăng khả năng chịu điện áp ngược của van

Việc phát triển van trong áp dụng trong lĩnh vực truyền tải điện đã được tiến hành từ thế chiến thứ 2 Các nước đi đầu trong việc phát triển các van này chính là Liên Xô và Thụy Điển Xu hướng chính của các nhà khoa học Liên Xô là phát triển các van đơn anot, về sau các can loại này ít được sử dụng Đối với Thụy điển, việc nghiên cứu phát triển van được thực hiện bởi hãng ASEA Các van ASEA có đặc điểm là van đa anot về sau được sử dụng rộng rãi

Khoảng năm 1960 cực điều khiển đã được thêm vào diode bán dẫn dẫn tới sự ra đời của các van tiristo Lúc ban đầu các van tiristo chỉ chịu được dòng điện và công suất thấp nhưng càng về sau thì càng tăng Đến những năm 1970 nó đã được sử dụng

để thay thế cho các van hồ quang thủy ngân trong truyền tải HVDC

Sau này ngành điện tử công suất càng phát triển hơn cho ra đời những van điều khiển hoàn toàn như GTO và IGBT Các van này có đặc điểm là có thể điều khiển cả khi đóng và mở van mà các tiristo thì chỉ có thể điều khiển khi mơ van Nhưng hiện tại các van IGBT vẫn còn nhiều hạn chế như chỉ chịu được điện áp và công suất thấp, việc điều khiển van trong các bộ chỉnh nghịch lưu tương đối phức tạp Vào năm 1997

dự án truyền tải thử nghiệm bằng van IGBT đã được thực hiện Về sau các dự án sử dụng IGBT ngày càng nhiều, tuy công suất truyền tải tương đối thấp nhưng nó đang tăng dần Việc truyền tải sử dụng van IGBT đem lại tính ổn định và chất lượng điện năng tốt hơn so với truyền tải sử dụng tiristo Đến thời điểm hiện nay 2 loại van này đang được sử dụng ở rất nhiều các dự án truyền tải điện năng trên thế giới mang lại triển vọng ngày càng lớn cho truyền tải điện 1 chiều

Hình 1-4: Cấu tạo và mạch tương đương của Tiristo và IGBT

1.2 Những dự án ứng dụng truyền tải HVDC điển hình trên thế giới

Các dự án thử nghiệm truyền tải điện một chiều với van hồ quang thủy ngân được thực hiện đầu tiên ở Mỹ bởi công ty điện GE ( General Electric company) được thực hiện vào tháng 12 năm 1936 với đường dây truyền tải dài 27 km nối giữa nhà máy thủy điện Mechanicville, tần số 40 Hz và nhà máy của GE ở Schenectady, tần số

60 Hz Kể từ đó về sau các dự án thử nghiệm tiếp theo với van hồ quang thủy ngân cho truyền tải HVDC được thực hiện ở Thụy Sỹ, Đức, Liên xô, Thụy Điển Chúng đã đặt nên móng cho việc đưa vào thương mại hóa hệ thống HVDC đầu tiên vào năm

1954 tại Thụy Điển Điều này đã đánh dấu sự quay trở lại của truyền tải điện 1 chiều trên thế giới sau nhiều thập kỷ vắng bóng

Bảng 1-1 trình bày 12 dự án HVDC điển hình trên thế giới 6 dự án đầu sử dụng công nghệ cổ điển HVDC-CSC và 6 dự án còn lại sử dụng công nghệ mới HVDC-

công nghệ đều bắt đầu thực hiện đối với đảo Gotland, Thụy Điển Năm 1954 dự án HVDC- CSC thương mại đầu tiên trên thế giới được đưa vào vận hành trên đảo vì lý

do kinh tế khi so sánh tương đương với các phương án được đề ra thì đến năm 1999 đường dây truyển tải HVDC- VSC thương mại đầu tiên được đưa vào vận hành Nó

sử dụng công nghệ HVDC – Light của hãng ABB được chấp nhận vì nguyên nhân môi trường (Sử dụng đường dây cáp ngầm) cũng như đảm bảo tính kỹ thuật ( Sự ổn định điện áp) khi liên kết với nhà máy điện gió ở phía nam hòn đảo

Bảng 1-1: Các dự án truyền tải điện một chiều điển hình trên thế giới

STT Châu

lục

Chiều dài (km)

Dự án

Năm đưa vào vận hành

Công suất MW)

Điện

áp (kV)

Loại liên kết

2 Phi 1420 Cahora Bassa 1977-79 1920 ±533 Lưỡng cực

5 Á 110

HVDC Thái Lan và Ma-lai-xi-a 2002 300 300 Đơn cực

Hướng Gia Bá – Thượng Hải 2010 6400 ±800 Lưỡng cực

7 Âu 70 Gotland HVDC Light 1999 50 ±80 Lưỡng cực

Hướng Gia Bá - Thượng Hải là dự án HVDC-CSC ở cấp điện áp cực cao áp với

Nó chính là xu hướng mới của công nghệ HVDC cổ điển – hướng tới cấp điện áp cao hơn để truyền tải xa hơn với dung lượng truyền tải lớn hơn và giảm thiểu tổn thất Eagle Pass là dự án HVDC-VSC lưng - lưng (Back to back) Liên kết lưng- lưng là liên kết mà đầu chỉnh lưu và nghịch lưu được đặt trên cùng một trạm điện Kiểu liên kết này giúp nối giữa 2 HTĐ nhỏ không đồng bộ giữa 2 bang của Mỹ và Mê-hy-cô

Trans Bay Cable- HVDC Plus là dự án truyền tải VSC đầu tiên sử dụng công nghệ chuyển mạch đa cấp mô đun MMC ( Modular Multilevel converter) Đây cũng

là dự án HVDC-VSC thương mại hóa đầu tiên của Siemens Đường dây VSC này truyền tải điện cho thành phố San Francisco Nó được áp dụng vì lý do tiết kiệm diện tích đất vì sử dụng cáp ngầm đi trong lòng vịnh San Francisco

BorWin2- HVDC Plus cũng là dự án của Siemens truyền tải gió ngoài khơi biển Bắc của Đức vào đất liền Nó nằm trong cụm 4 dự án lớn sử dụng công nghệ HVDC truyền tải điện gió từ ngoài khơi vào lục địa mà Đức đang xây dựng (Bao gồm: BorWin, DolWin1, HelWin, SylWin) So với các dự án HVDC- VSC thông thường thì công suất truyền tải của dự án này là tương đối lớn lên đến 800 MW

Cùng sự mở rộng của hệ thống đa trạm một chiều (Multi-terminal) chắc chắn rằng lưới điện một chiều sẽ có những bước tiến vượt bậc trong tương lai

1.3 Kết luận

Qua chương 1 chúng ta có thể thấy rằng công nghệ truyền tải điện một chiều HVDC đã ra đời từ rất sớm, trước cả hệ thống điện xoay chiều hiện nay Nhưng do sự hạn chế của điện một chiều so với điện xoay chiều nên sau đó điện xoay chiều đã phát triển hơn Tuy nhiên sau những tiến bộ của kỹ thuật điện tử công suất trong việc chế tạo van với công suất và điện áp ngày càng lớn Kỹ thuật điện một chiều dần quay trở lại trong lĩnh vực truyền tải điện Với 2 loại công nghệ điển hình là công nghệ HVDC-CSC và công nghệ HVDC-VSC Truyền tải điện một chiều đã và đang được ứng dụng ở nhiều nơi trên thế giới

2.1 Sơ lược về HVDC CSC

2.1.1 Cấu hình hệ thống HVDC CSC

Công nghệ truyền tải điện HVDC CSC là công nghệ truyền tải điện dựa trên bộ biến đổi nguồn áp CSC là từ viết tắt tiếng anh của “Current Source Converter” Công nghệ HVDC CSC ra đời với sản phẩm thương mại đầu tiên vào năm 1954 trong dự án

ở đảo Gotland như đã trình bày ở trên

Đặc điểm nổi trội của công nghệ CSC là có thể dùng để truyền tải điện năng với khoảng cách xa và công suất lớn Đồng thời công nghệ này còn hữu hiệu và kinh tế khi dùng cần truyền tải điện qua cáp ngầm so với việc dùng đường dây xoay chiều Một lợi thế nữa của công nghệ này là nó chiếm ít hành lang tuyến hơn so với đường dây xoay chiều cùng loại tải 1 lượng công suất như nhau

Hình 2-1: Hành lang tuyến và cấu trúc cột của các loại đường dây AC và DC cùng tải 1 lượng công suất 2000 MW

Đường dây truyền tải điện 1 chiều không có dòng điện nạp, không có hiệu ứng mặt ngoài vì dòng điện chạy trên nó là dòng 1 chiều Hiệu ứng vầng quang của đường dây 1 chiều cũng giảm đáng kể so với đường dây xoay chiều, do vậy hạ thấp được tổn thất trên đường dây

Theo các nghiên cứu thì chúng ta có thể biểu diễn giá thành của hệ thống truyền tải điện 1 chiều cũng như xoay chiều bằng một hàm theo khoảng cách truyền tải được biểu diễn như trên hình vẽ dưới:

Hình 2-2: Đồ thị chi phí giá xây dựng hệ thống truyền tải điện 1 chiều và xoay chiều

Ta thấy ban đầu giá của đường dây 1 chiều cao hơn giá của đường dây xoay chiều vì chi phí cho trạm chuyển đổi của đường dây 1 chiều là tương đối cao Nó bao gồm chi phí cho thiết bị bù, bộ lọc, máy biến áp, cầu chỉnh lưu (Nghịch lưu) Càng về sau chi phí cho đường dây 1 chiều càng có xu hướng giảm so với đường dây xoay chiều và đến 1 điểm nhất định 2 đường này giao nhau, điểm này gọi là điểm hòa vốn (Break even point) Nếu chiều dài đường dây vượt qua điểm hòa vốn thì chi phí xây dựng đường dây 1 chiều sẽ nhỏ hơn so với chi phí xây dựng đường dây xoay chiều Điểm hòa vốn này nằm trong phạm vi từ 400 km đến 700 km đối với đường dây trên không Đối với đường dây cáp thì điểm hòa vốn ngắn hơn nhiều so với đường dây trên không Nó nằm trong khoảng từ 24 km đến 48 km đối với cáp biển và 48 đến 96

km đối với cáp đặt dưới lòng đất Do đó hiện nay nhiều đường dây dài công suất lớn

và đường dây cáp ngầm cho truyền tải điện được các nước ưu chuộng là đường dây HVDC

Cấu hình cơ bản của một hệ thống truyền tải điện HVDC cho ở hình 2-3

Hình 2-3: Cấu hình cơ bản của hệ thống truyền tải HVDC (HVDC lưỡng cực)

Một hệ thống truyền tải HVDC bao gồm 1 trạm chỉnh lưu và 1 trạm nghịch lưu

ở 2 đầu đường dây truyền tải Các trạm có cấu trúc tương tự nhau bao gồm các thành phần:

+ Cầu 3 pha toàn sóng (Full- brigde): Nó chính là mạch chỉnh lưu 3 pha hình cầu mà van chỉnh lưu chính là van tiristo Ở phía nghịch lưu cầu cũng được chế tạo tương tự, trong đó người ta lợi dụng chế độ nghịch lưu ở mạch

chỉnh lưu để biến đổi DC/AC

+ Máy biến áp chuyển đổi: Là loại máy biến áp có điều áp dưới tải để chuyển đổi điện áp từ cấp điện áp xoay chiều về cấp điện áp thích hợp dùng cho đường dây DC

+ Bộ lọc: bộ chuyển đổi sản sinh ra sóng hài, do vậy cần có bộ lọc ở cả phía một chiều lẫn xoay chiề để lọc sóng hài đi vào đường dây

+ Nguồn cung cấp công suất phản kháng: Thường là bộ tụ điện hoặc có thể là máy bù đồng bộ do bộ chuyển đổi tiêu thụ lượng Q= 50% P ở mỗi đầu + Cuộn kháng san phẳng: Có tác dụng san phẳng sự nhấp nhô của dòng điện

1 chiều đồng thời nó cũng có tác dụng lọc sóng hài bên phía một chiều + Máy cắt xoay chiều Để cách ly đường dây xoay chiều khi có sự cố hư hỏng nặng ở máy biến áp hoặc bộc chuyển đổi hoặc khi muốn duy tu bảo dưỡng

2.1.2 Các kiểu liên kết chính

Có 2 kiểu liên kết 1 chiều chính là đơn cực và lưỡng cực Kiểu liên kết hay được sử dụng nhất là kiểu liên kết lưỡng cực Mỗi kiểu liên kết có một đặc điểm riêng của nó phù hợp với các hoàn cảnh sử dụng khác nhau

– Liên kết đơn cực (Monopolar link-hình 2-4)

Hình 2-4: Liên kết HVDC đơn cực;

a) Đường trở về qua đất; b) Đường trở về qua dây dẫn

Liên kết đơn cực thường chỉ có 1 dân dẫy và thường là cực âm Phần cực dương trở về qua đất hoặc qua dây dân kim loại tùy thuộc vào yêu cầu kỹ thuật và mong muốn của người dùng

– Liên kết lưỡng cực (Bipolar link-hình 2-5)

Hình 2-5: Liên kết HVDC lưỡng cực;

a) Đường trở về qua đất; b) Đường trở về qua dây dẫn

Đây là liên kết được dùng khá phổ biến Nó gồm có 2 dây dẫn, một dây ở cực dương và 1 dây ở cực dương Mỗi trạm gồm 2 bộ chuyển đổi, chúng được nối nối tiếp với nhau Điểm nối giữa 2 bộ chuyển đổi là điểm trung tính và được nối đất Trong trường hợp mất một đường dây thì cực còn lại có thể vận hành một cách độc lập so với cực kia và truyền tải môt nửa hoặc hơn một nửa công suất của toàn bộ hệ thống truyền tải HVDC tùy theo khả năng của nó Trường hợp điện trở đất quá lớn hoặc vì một nguyên nhân nào đó đường cực trung tính nối đất có thể thay bằng nối dây kim loại giữa 2 cực trung tính Chỉ trong trường hợp sự cố hoặc không cân bằng mới có dòng đi qua dây trung tính này

Hình 2-6: Liên kết đa trạm HVDC; a) Kiểu song song; b) Kiểu nối tiếp

Ngoài hai kiểu liên kết đơn cực và lưỡng cực, trong lý thuyết còn có kiểu liên kết đồng cực thường không sử dụng trong thực tế Ngoài ra với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển HVDC Người ta đang tiến tới phát triển các lưới điện HVDC đơn giản với nhiều trạm HVDC kết nối lại với nhau ( Multiterminal) khiến cho cấu hình HVDC ngày càng phức tạp như hình 2-6

2.2 Điều khiển hệ thông HVDC CSC

2.2.1 Đặc tính điều khiển và các loại điều khiển

2.2.1.1 Đặc tính điều khiển

Việc điều khiển hệ thống HVDC nhằm đạt được sự vận hành hiệu quả và tin cậy trong vận hành 1 chiều.Có 2 dạng điều khiển chủ yếu đó là:

– Điều khiển nhanh

Điều khiển nhanh được thực hiện bằng cách tác động lên các cực điều khiển của tiristo trong khoảng từ 1ms ÷ 10 ms để đạt được điện áp nội (Internal voltage) như mong muốn khi có biến động về điện áp hoặc dòng điện trong liên kết 1 chiều Theo sau điều khiển nhanh này là điều khiển chậm – chính là điều khiển của các đầu phân

áp của máy biến áp chuyển đổi

– Điều khiển chậm

Điều khiển chậm có thời gian điều khiển tương đối chậm ( 5s ÷ 6s mỗi lượt chuyển 1 nấc phân áp) Điều khiển đầu phân áp chỉ được thực hiện khi mà điều khiển điều khiển cực điều khiển tiristo như trên đã được thực hiện Việc điều khiển đầu phân áp này nhằm đưa các tham số góc điều khiển α ở phía chỉnh lưu và γ ở phía nghịch lưu trở về giá trị mong muốn

Quá trình điều khiển được thực hiện để:

– Ngặn chặn sự dao động của dòng điện 1 chiều vì sự thay đổi của điện áp xoay chiều

– Duy trì điện áp 1 chiều gần giá trị định mức

– Duy trì hệ số công suất ở mức cao ở cả đầu gửi lẫn đầu nhận

– Ngăn chặn hiện tượng sập nghịch lưu ở bộ nghịch lưu và phóng điện áp ngược ở

bộ chỉnh lưu khi dùng van hồ quang thủy ngân

– Quá trình điều khiển được mô tả bằng đồ thị đặc tính điều khiển dòng áp (V-I) xác lập Dòng điện một chiều trong quá trình điều khiển được xác định theo công thức:

Hình 2-7: Đặc tính điều khiển

Bộ nghịch lưu sẽ điều chỉnh điện áp Chế độ điều khiển thông thường của nó là chế độ điều khiển góc tắt không đổi γ = const –CEA được thể hiện bằng đường GD như hình Đường đặc tính bộ chỉnh lưu giao với đường đặc tính bộ nghịch lưu ở vị trí

E, E gọi là điểm vận hành Khi điện áp suy giảm đường GD sẽ không cắt F’A’ Lúc này dòng điện và công suất truyền tải trong liên kết một chiều sẽ bị giảm tới 0 – có thể tác động rất xấu tới HTĐ Để tránh tình trạng này phía nghịch lưu người ta cũng lắp đặt bộ điều chỉnh dòng điện để hoạt động với chế động dòng điện không đổi CC như phía chỉnh lưu được thể hiện bằng đường GH Lúc này GH giao với F’A’ ở E chính là điểm vận hành mới khi có sự suy giảm điện áp phía nghịch lưu Rõ ràng lúc này vai trò điều khiển của bộ chỉnh lưu và nghịch lưu đã được thay thế cho nhau và được gọi là sự chuyển đổi chế độ (Mode shift)

Việc điều khiển dòng điện được thông qua việc thiết lập dòng điện lệnh Iord Dòng điện lệnh của đường đặc tính chỉnh lưu và nghịch lưu sai khác bằng một giá trị

Im như trên hình, được gọi là độ dự trữ dòng điện (current margin) Người ta thường đặt Im=10% ÷15% Iđm

Mỗi một bộ chuyển đổi đều có thể giữ vai trò là bộ chỉnh lưu đồng thời nó sẽ giữ vai trò là bộ nghịch lưu khi đảo chiều dòng công suất Do đó đặc tính của mỗi bộ chuyển đổi bao gồm 3 phân đoạn:

– Góc điều khiển không đổi αmin = const (CIA)

– Dòng điện không đổi ( CC )

– Góc tắt không đổi ( CEA)

Khi đảo chiều dòng công suất cũng tức là ta đi đảo chiều cực của các bộ chuyển đổi

2.2.1.2 Các loại điều khiển

– Điều khiển đầu phân áp

Khi α và γ vượt quá phạm vi cho phép trong khoảng thời gian lớn hơn một vài giây thì bộ điều khiển đầu phân áp dưới tải của 2 máy biến áp chuyển đổi phía chỉnh lưu và phía nghịch lưu sẽ tác động để đưa điện áp một chiều về giá trị mong muốn, từ

đó đưa góc điều khiển α và góc tắt γ trở lại phạm vi cho phép

– Điều khiển dòng công suất

Việc điều khiển dòng công suất là một yêu cầu thông thường của truyền tải một chiều – có được lượng công suất truyền tải cho trước Việc điều khiển dòng công suất

có giá trị cho trước được thực hiện thông qua điều khiển dòng điện Ta đưa giá trị dòng công suất định trước (power command) cùng với điện áp 1 chiều đo được vào

bộ chia Bộ chia sẽ thực hiện tính dòng điện lệnh theo công thức:

I ord = P/V d

Iord chính là tín hiệu đầu vào của bộ điều chỉnh dòng điện như đã nói ở trên – Chế độ điều khiển bộ nghịch lưu thay thế

Ở bộ nghịch lưu ngoài các chế độ điều khiển thông thường CC và CEA nó còn

có 2 chế độ điều khiển thay thế để biến đổi đặc tính CEA được dùng trong một số trường hợp đặc biệt nhằm ổn định hóa chế độ Đó là:

+ Chế độ điều khiển điện áp 1 chiều

Thay vì điều khiển γ= const Người ta đi điều khiển điện áp không đổi ở phía nghịch lưu Vd = const Khi đó đường đặc tính điều khiển V-I của bộ nghich lưu sẽ là đường nằm ngang phẳng như hình 2-7 a

Hình 2-8: a) Đường đặc tính của bộ nghịch lưu ở chế độ điều khiển điện áp; b) Sự không rõ ràng của điểm vận hành A; c) Điểm vận hành đã được xác định rõ ràng khi

chuyển sang chế độ điêu khiển điện áp

Việc áp dụng chế độ điều khiển này là nhằm xóa bỏ sự không rõ ràng trong việc xác định điểm vận hành như hình 2-7 b.Ta thấy có tới 3 điểm vận hành là A, A’, A’’ khi bộ nghịch lưu ở chế độ góc tắt không đổi CEA Để tránh tính trạng này người ta

áp dụng chế độ điều khiển điện áp Nhờ đó điểm vận hành sẽ được xác định rõ ràng như ở hình 2-7 c

+ Chế độ điều khiển góc β

Ngoài chế độ điều khiển bộ nghịch lưu theo góc γ =const, chúng ta còn có thể điều chỉnh bộ nghịch lưu theo góc β.=const Khi đó đường đặc tính V-I sẽ là đường dốc hướng lên phía trên hình 2.8 a

Hình 2-9: a) Đặc tính ở chế độ điều khiển góc β ; b) Sự không rõ ràng của điểm làm việc; c) sự rõ ràng điểm làm việc khi áp dụng chế độ điều khiển góc β

Cũng tương tự như chế độ điều chỉnh điện áp Chế độ điều khiển góc β chỉ được

áp dụng là chế độ bổ sung cho sự không rõ ràng của việc xác định điểm làm việc như thể hiện ở hình 2-8 b, c

– Giới hạn cho cài đặt dòng điện lệnh (Current order)

Dòng điện lệnh là đầu vào cho bộ điều khiển dòng điện Có một số giới hạn được đưa ra trong việc tính toán dòng điện lệnh Đó là:

độ thay đổi dòng điện tăng cao ở cuộn kháng một chiều Không những thế nó còn gây

ra góc trùng dẫn trở nên quá nhỏ Điều này gây ra áp lực trên van Do vậy để tránh các trường hợp trên cần thiết lập dòng điện nhỏ nhất của dòng điện lệnh

+ Giới hạn dòng điện lệnh phụ thuộc điện áp (VDCOL)

Khi điện áp giảm thấp người ta sẽ không mong muốn duy trì dòng điện hoặc điện áp ở giá trị định mức bởi vì khi đó nó sẽ làm ra tăng tổn thấp công suất và làm tăng nhu cầu về công suất tác dụng của bộ chuyển đổi Không những vậy nó còn gia tăng khả năng gây sập nghịch lưu và mất ổn định điện áp Do vậy cần thiết lập giới hạn dòng điện phụ thuộc vào điện áp Khi đó dòng điện sẽ bị giảm xuống so với giá

trị định mức Đặc tính V-I của giới hạn dòng điện phụ thuộc vào điện áp thể hiện ở trên hình 2-10 dưới

Hình 2-10: Đặc tính V-I với dòng điện phụ thuộc vào điện áp

Ngoài giới hạn được đặt ra cho cài đặt dòng điện lệnh Người ta còn đặt ra giới hạn cho góc kích thích nhỏ nhất bộ nghịch lưu (Min α limit) Nó giúp tránh khỏi tình trạng đảo chiều công suất không được phép khi có sự cố về truyền thông hoặc sự cố phía đường dây một chiều Nó giới hạn góc điều khiển α nhỏ nhất của các van nghịch lưu nằm trong khoảng 950 ÷ 1100 Nó chính là phần thấp nhất của đặc tính nghịch lưu như thể hiện ở trên hình 2-9

Phân cấp điều khiển

Người ta chia làm 4 loại cấp điều khiển đối với liên kết HVDC đó như ở hình

2-10 đó là:

– Điều khiển cầu (Bridge control)

Điều khiển này xác định thời điểm kích mở các van trong các cầu và xác định các giới hạn góc γmin và αmin

– Điều khiển cực (Pole control)

Dùng để kết hợp các cầu trong các cực với sóng hài phát ra là nhỏ nhất Điều khiển cực còn điều khiển đầu phân áp của máy biến áp chuyển đổi, thứ tự bảo vệ – Điều khiển thông minh (Master control)

Dùng để xác định dòng điện lệnh và cung cấp dòng điện lệnh phối hợp tới tất cả các cực Điều khiển thông minh làm giao diện cho sự kết nối giữa điều khiển toàn hệ

– Điều khiển toàn hệ thống (Overall system control)

Điều khiển toàn hệ thống cung cấp các lệnh dòng điện tới các điều khiển thông minh theo sự hưởng ứng tới các nhiệm vụ yêu cầu như điều khiển truyền tải công suất, điều khiển tần số hệ thống, sự cản dao động hệ thống…

Hình 2-11: Sơ đồ khối về phân cấp điều khiển trong liên kết HVDC

Hệ thống điều khiển kích thích bộ chuyển đổi

Hệ thống điều khiển kích thích bộ chuyển đổi là hệ thống dùng để tính toán và xác định thời điểm kích mở van Từ đó ta sẽ xác định được chế độ làm việc của bộ chuyển đổi Có 2 loại hệ thống điều khiển kích thích bộ chuyển đổi cơ bản là:

– Điều khiển pha riêng rẽ

– Điều khiển xung khoảng cách bằng nhau

Hệ thống điều khiển pha riêng rẽ là hệ thống thời kỳ đầu của bộ điều khiển kích thích bộ chuyển đổi Ngày nay người ta không dùng hệ thống này nữa Từ cuối thập niên 1960 người ta đã bắt đầu phát triển hệ thống điều khiển xung khoảng cách bằng nhau Hệ thống này có ưu điểm hơn hệ thống điều khiển pha riêng rẽ là nó không phụ thuộc vào dạng sóng điện áp

Điều khiển pha riêng rẽ (Individual phase control system)

Đặc trưng quan trọng của điều khiển pha riêng rẽ là các xung kích thích được cấp riêng cho mỗi van

– Điều khiển góc tắt không đổi (CEA) với điều khiển pha riêng rẽ

Từ việc tính toán ta có phương trình xác định thời điểm kích mở van đối với chế

– Điều khiển dòng điện không đổi (CC) với điều khiển pha riêng rẽ

Việc điều khiển dòng điện không đổi được thực hiện bằng cách thêm tín hiệu bổ xung Vcc = K(Io – Id ) vào phương trình trên Đối với điều khiển góc điều khiển không đổi CIA việc điều khiển cũng được thực hiện tương tự

Điều khiển xung khoảng cách bằng nhau (Equidistant pulse control system)

Dạng điều khiển này vượt trội hơn so với dạng điều khiển pha riêng rẽ Nó không phụ thuộc vào dạng sóng điện áp phía xoay chiều Nguyên lý cơ bản của nó

dựa trên bộ dao động khóa pha (Phase- locked oscillator) đưa nêu ra lần đầu tiên vào

cuối những năm 1960 Các van được kích mở ở những khoảng thời gian bằng nhau

Hình 2-12: Nguyên lý cơ bản của bộ điều khiển dao động khóa pha (phase- locked oscillator)

Thành phần chính của bộ điều khiển dao động khóa pha như thể hiện ở hình

2-12 là bộ dao động điều khiển điện áp (Voltage controlled oscillator) và bộ đệm vòng (Ring counter)

Bộ dao động điện áp điều khiển sẽ lấy tín hiệu đầu vào Vc từ đó phát ra một chuỗi xung tín hiệu đầu ra truyền tới bộ đệm vòng Bộ đệm vòng này thường có 6 hoặc 12 tầng – phụ thuộc vào số xung của bộ chuyển đổi Khi bộ đệm vòng nhận được tín hiệu thì chỉ duy nhất 1 tầng nào đó của nó sẽ ở trạng thái hoạt động Tầng hoạt động này sẽ tạo ra một xung ngắn ở đầu ra một lần mỗi chu kỳ trong một chu kỳ hoàn chỉnh bộ 6 xung đầu ra sẽ được sản sinh ra bởi bộ đệm vòng ở các khoảng thời gian cách nhau 600 Những xung đầu ra này sẽ được truyền đi bởi máy phát xung kích thích tới van thích hợp của cầu chỉnh lưu hoặc nghịch lưu Thông thường trên mỗi cầu có 1 bộ dao động điều khiển điện áp và một bộ đệm vòng

– Điều khiển dòng điện không đổi (CC) với điều khiển xung khoảng cách bằng nhau

Điều khiển CC được thực hiện thông qua vòng lặp điều khiển CC như trên hình 2-12 Đầu ra của vòng lặp là tín hiệu Vc1 Vc1 là điện áp có được từ việc khuếch đại

độ lệch dòng lệnh dòng điện so với dòng điện đo được từ biến dòng D-CC-T Đây là điều khiển phản hồi âm Trong chế độ CC thì Vc1 sẽ được đưa tới đầu vào của bộ điều khiển điện áp, từ đó có tác động thích hợp lên van điều khiển để giữ cho điện áp không đổi

– Điều khiển góc tắt không đổi (CEA) với điều khiển xung khoảng cách bằng nhau

Điều khiển này được thực hiện thông qua khối A như hình vẽ Người ta cũng khuếch đại độ sai lệch của góc tắt γ đo được từ tín hiệu điện áp và dòng điện xoay chiều với tín hiệu đặt γđ và cung cấp Vc tới bộ dao động điều khiển điện áp từ có tác động kích thích thích hợp để trạm vận hành ở chế độ CEA

2.3 Sóng hài

2.3.1 Sóng hài phía xoay chiều AC

Sóng hài sản sinh ở phía AC là các hài dòng điện xoay chiều Ở chế độ lý

chiều có dạng xung chữ nhật như hình 2-13b, đây là trường hợp cầu 6 xung kết nối với máy biến áp đấu Y-Y Dòng điện này qua phép biến đổi fourier ta được:

Khi cầu cầu 6 xung được kết nối với máy biến áp đấu Y-∆ thì sóng dòng điện như hình 2-13a Biến đổi Fourier của nó sẽ có dạng: