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

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

-

NGUYỄN ĐÌNH SƠN

KHẢO SÁT PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TRONG

HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ ĐƯỜNG DÂY HVDC

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

Mã số ngành: 60520202

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014

NGUYỄN ĐÌNH SƠN

KHẢO SÁT PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TRONG

HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ ĐƯỜNG DÂY HVDC

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Hồ Văn Hiến

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày

18 tháng 01 năm 2014

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

TT Họ và tên Chức danh Hội đồng

3 TS Trương Việt Anh Phản biện 2

5 TS Huỳnh Quang Minh Ủy viên, thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Đình Sơn Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 15-01-1983 Nơi sinh: Tp Đà Nẵng

I- TÊN ĐỀ TÀI:

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

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Giới thiệu tổng quan về công nghệ HVDC Nêu nguyên lý hoạt động của hệ thống

HVDC, so sánh giữa hai hệ thống truyền tải HVDC và HVAC

Nghiên cứu mối quan hệ giao tiếp giữa hệ thống DC/AC và phân bố công suất trong hệ

thống truyền tải Ứng dụng chương trình xử lý toán học Matlab khảo sát phân bố công

suất khi có đường dây HVDC trong hệ thống truyền tải điện AC

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 12-06-2013

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 31-12-2013

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Hồ Văn Hiến

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Đình Sơn

LỜI CÁM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến TS Hồ Văn Hiến đã hướng dẫn, chỉ dạy

và giúp đỡ em tận tình trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo của Khoa Cơ – Điện – Điện Tử đã cung cấp kiến thức, phòng Quản lý khoa học và Đào tạo sau ĐH trường Đại Học Công Nghệ Tp HCM đã tạo mọi điều kiện trong suốt quá trình học tập tại trường, góp ý nhiều ý kiến quý báu để em hoàn thành tốt luận văn

Em xin cảm ơn, gia đình, cơ quan, bạn bè và đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện, quan tâm và giúp đỡ em hoàn thành luận văn này

Mặc dù trong thời gian qua đã cố gắng nỗ lực nghiên cứu nhưng kiến thức còn nhiều hạn chế nên không thể tránh được những thiếu sót Kính mong các thầy cô trong hội đồng khoa học xem xét góp ý, chỉnh sửa để luận văn được hoàn thiện tốt hơn và trong những nghiên cứu sau này

Em xin chân thành cảm ơn!

TP HCM, ngày 30 tháng 12 năm 2013

Nguyễn Đình Sơn

TÓM TẮT

Ngày nay, truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC) là một thành phần không thể thiếu trong hệ thống truyền tải của nhiều quốc gia trên thế giới Với ưu điểm của HVDC giảm tổn thất công suất trên đường dây truyền tải so với truyền tải điện xoay chiều cùng cấp điện áp, điều này dẫn đến chi phí tổn thất điện năng của hệ thống

HVDC sẽ thấp hơn truyền tải điện xoay chiều

Đối với truyền tải điện cao áp xoay chiều (HVAC) các nhà nghiên cứu luôn luôn tìm cách khắc phục những hạn chế mà nó ẩn chứa Trong truyền tải điện năng,

để truyền tải đi càng xa thì điện áp phải được nâng lên càng cao nhưng cũng nảy sinh nhiều vấn đề phức tạp về điện từ trường, điều kiện ổn định, biến thiên điện áp, lệch tần số, tổn thất….và chi phí tăng cao Việc truyền tải điện qua các địa hình phức tạp: biển đảo, địa hình hiểm trở… với truyền tải HVAC không thể tối ưu hơn được thì truyền tải HVDC có thể tốt hơn về kinh tế và kỹ thuật

Từ những năm 1970, sự phát triển của linh kiện bán dẫn đã thúc đẩy lĩnh vực

tử công suất phát triển vượt trội với hàng loạt các ứng dụng trong khoa học kỹ thuật Điều này đã mang lại cho truyền tải HVDC một sự thay đổi mới với nhiều ưu điểm nổi bật hơn: công suất truyền tải, tần số đóng cắt, bảo vệ sự cố, linh hoạt điều khiển, vận hành tối ưu, chi phí bảo trì Chính vì vậy nó được ứng dụng phát triển nhanh hơn, cho đến những năm gần đây với hàng loạt các dự án trên khắp các châu lục về truyển tải không đồng bộ trên các vùng miền cũng như mua bán điện giữa các quốc gia khu vực

Tại Việt Nam trong những năm gần đây, truyền tải HVDC được các nhà nghiên cứu trong nước chỉ quan tâm ở khía cạnh công nghệ mới, bài toán kinh tế, lý thuyết điều khiển, ý tưởng kết nối… nhưng chưa quan tâm nghiên cứu giải quyết vấn đề phân bố lại công suất trong hệ thống truyền tải khi có hệ thống HVDC kết nối vào Trong thực tế, việc ổn định hệ thống sẽ đáp ứng nhanh hơn, linh hoạt hơn, hiệu quả hơn khi việc trao đổi số liệu giữa hại hệ thống được giải quyết thực thi

Trong luận văn này trình bày nghiên cứu về việc Khảo sát phân bố công suất trong

hệ thống điện khi có đường dây HVDC

Recently, transmission system of the High Voltage Direct Current (HVDC) has been become one of the indispensable components in transmission systems of many countries around the world With the advantage of reducing power losses on HVDC transmission lines compared to AC transmission lines at the same voltage level, this leads to power losses cost of the HVDC system will be lower.

For high voltage alternating current (HVAC) transmission, researchers alway find out to get overcome some limitations problem which it hides In the power transmission, if they wants to transmit power far away, have to boost voltage higher that also means raised many complex issues in an electromagnetic field, stable conditions, variable voltage, frequency deviation, losses and rising costs The transmission power through-other complicated topography condition: from mainlands to island, craggy terrain with HVAC transmission can not be optimized over the transmission of HVDC can execute better economically and technically Since the 1970s, the development of high - power semiconductor devices has been advancement power electronic highly development with a remarkable range of applications in science technology This really gives a HVDC transmission new changes with more characteristic advantages: transmit power, frequency switching, fault protection, flexible control, optimal operation, costs maintenance Therefore,

it is faster application development, until recent years with a series of projects on all continents of transmit asynchronously as well as the purchasing power between countries in region

Vietnam in recently years, HVDC transmission are researchers interested only

in their countries with kind of new technology, economic problems, control theory, the idea of interconnection but not interested in research problem solving

In practical, the stability system respond faster, more flexible, more efficient exchange of data between the two systems is solved executed In this thesis presents

research: survey on distributed transmit power system while HVDC lines

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Tóm tắt iii

Mục lục v

Danh mục các từ viết tắt ix

Danh mục các bảng x

Danh mục các biểu đồ, đồ thị, sơ đồ, hình ảnh xi

Lời mở đầu 1

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 3

1 Đặt vấn đề 3

2 Nội dung nghiên cứu của đề tài 5

3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 5

4 Điểm mới của đề tài 5

5 Giá trị thực tiễn của đề tài 6

6 Kết cấu của đề tài 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI ĐIỆN HVDC 7

1.1 Lịch sử phát triển công nghệ truyền tải điện một chiều 7

1.2 Thành tựu mới đạt được của công nghệ truyền tải điện 11

1.3 Cấu hình hệ thống HVDC 12

1.3.1 Kết nối đơn cực 12

1.3.2 Kết nối lưỡng cực 13

1.3.3 Kết nối đồng cực 16

1.4 Các phần tử chính trong hệ thống HVDC 17

1.4.1 Bộ biến đổi 17

1.4.2 Cuộn kháng nắn dòng 22

1.4.3 Bộ lọc họa tần 22

1.4.4 Nguồn cung cấp công suất phản kháng 24

1.4.5 Điện cực 24

1.4.6 Đường dây một chiều 24

1.4.7 Máy cắt điện AC 24

1.4.8 Hệ thống làm mát van 25

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG HVDC 26

2.1 Phân tích hoạt động bộ biến đổi 26

2.1.1 Mạch cầu 3 pha toàn sóng 26

2.1.2 Hoạt động của bộ biến đổi khi bỏ qua ảnh hưởng của cảm kháng nguồn 27

2.1.3 Mối quan hệ giữa dòng điện và pha 30

2.1.4 Ảnh hưởng của góc chồng chập chuyển mạch 32

2.1.5 Chế độ chỉnh lưu 38

2.1.6 Chế độ nghịch lưu 39

2.1.7 Mối quan hệ giữa các đại lượng một chiều và xoay chiều 42

2.1.8 Công suất của máy biến áp biến đổi 44

2.2 Bộ biến đổi nhiều cầu 44

2.3 Mô hình hóa hệ thống HVDC 48

2.3.1 Chế độ vận hành 1 51

2.3.2 Chế độ vận hành 2 53

2.3.3 Chế độ vận hành 3 54

2.4 Những tác động ảnh hưởng lẫn nhau của hệ thống AC/DC 56

2.4.1 Tỉ số ngắn mạch hệ thống 56

2.4.2 Công suất phản kháng và cường độ của hệ thống AC 57

2.4.3 Những vấn đề của hệ thống có giá trị ESRC nhỏ 57

CHƯƠNG 3: SO SÁNH GIỮA TRUYỀN TẢI ĐIỆN HVDC VÀ HVAC 60

3.1 Ảnh hưởng của công suất và khoảng cách truyền tải 60

3.1.1 Ảnh hưởng của công suất truyền tải 60

3.1.2 Ảnh hưởng của khoảng cách truyền tải 63

3.2 Ảnh hưởng của các yếu tố khác 65

3.2.1 Điện trường và vầng quang điện 65

3.2.2 Thiết kế cách điện 65

3.2.3 Ảnh hưởng của độ cao 66

3.2.4 Tải trọng đường dây 67

3.2.5 Hành lang tuyến 68

3.3 So sánh tính kinh tế giữa truyền tải AC và truyền tải DC 68

3.3.1 Chi phí đầu tư của hệ thống HVDC 68

3.3.2 Phân tích chi tiết với chi phí đầu tư cho hệ thống HVDC 69

3.3.3 Chi phí vận hành của hệ thống HVDC 74

3.3.4 Kết luận 77

3.4 Hiệu quả về mặt kỹ thuật của truyền tải DC 79

3.4.1 Hệ thống HVDC không bị giới hạn công suất hay khoảng cách truyền tải do điều kiện ổn định 79

3.4.2 Hiệu quả truyền tải của đường dây DC cao hơn đường dây AC 80

3.4.3 Hệ thống HVDC điều khiển hoàn toàn lượng công suất truyền tải 80

3.4.4 Dùng HVDC làm đường dây liên lạc hệ thống 81

3.4.5 Đường dây DC không bị ảnh hưởng bởi tần số của hệ thống 81

3.4.6 Khả năng hòa mạng lên lưới rất nhanh 81

3.4.7 Độ tin cậy của truyền tải điện HVDC rất cao 81

3.4.8 Có khả năng mở rộng và phát triển thuận tiện 82

3.4.9 Việc nghiên cứu và áp dụng hệ thống HVDC nhiều trạm dừng sẽ đem lại bước đột phá trong hệ thống điện 82

CHƯƠNG 4: PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI 83

4.1 Phân bố công suất trong hệ thống HVAC 83

4.1.1 Các phương trình mạng cơ bản 83

4.1.2 Phương pháp phân bố công suất Newton – Raphson 85

4.2 Phân bố công suất khi có HVDC 89

4.3 Bài toán giao tiếp AC/DC khi chưa có bù hai đầu HVDC 91

4.3.1 Kết quả tính toán ban đầu 92

4.3.2 Kết quả tính toán ban đầu chạy trên chương trình Matlab 94

4.3.3 Tính toán bài toán giao tiếp AC/DC 94

4.3.4 Thực hiện bài toán giao tiếp với chương trình Matlab 100

4.4 Bài toán giao tiếp DC/AC khi có bù 2 đầu HVDC 101

4.4.1 Bài toán được tiến hành tính toán từ phía đầu nghịch lưu 103

4.4.2 Bài toán tính phía chỉnh lưu sau khi có kết quả từ phía nghịch lưu 109

4.5 Phân bố công suất trong hệ thống điện AC 5 nút khi chưa có HVDC 117

4.5.1 Số liệu mạng điện 118

4.5.2 Phân bố công suất mạng điện khi chưa có HVDC 119

4.6 Phân bố công suất trong hệ thống điện AC 5 nút khi có HVDC 120

4.6.1 Số liệu đường dây HVDC và các trị số ban đầu 120

4.6.2 Quá trình tính lặp để giao tiếp giữa hệ thống AC và đường dây HVDC 121

4.6.3 Kết quả khảo sát đường dây HVDC sau khi bài toán giao tiếp được hội tụ 128 4.6.4 Số liệu mạng điện khi thay đường dây 34 bằng đường dây HVDC 130

4.6.5 Tính phụ tải tổng hợp tương đương trong hệ thống AC tại các nút có nối với đường dây HVDC 130

4.6.6 Kết quả phân bố công suất trong hệ thống AC 131

4.6.7 Kết luận 132

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 134

5.1 Kết luận 134

5.2 Kiến nghị 135

TÀI LIỆU THAM KHẢO 136 PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

HVAC High Voltage Alter Current

HVDC High Voltage Derection Current

CC Constant Current / Dòng Hằng Số

CEA Constant Extinction Angle

IGBT Isulated Gate Bipolar Transistor

DANH MỤC CÁC BẢNG

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 8

Bảng 3.1 Yêu cầu số mạch truyền tải đối với lượng công suất 8GW và 12GW 61

Bảng 3.2 Ảnh hưởng của điện áp AC lên chi phí trạm HVDC 73

Bảng 3.3 Chi phí các thành phần hệ thống HVDC 74

Bảng 3.4 Ước lượng tổn thất công suất khác nhau của từng quốc gia 77

Bảng 4.1 Số liệu ban đầu mô hình giao tiếp giữa 2 hệ thống HVDC và HVAC 92

Bảng 4.2 Kết quả tính toán ban đầu chạy trên chương trình MatLab 94

Bảng 4.3 Kết quả đạt được sau 10 lần lặp 100

Bảng 4.4 Số liệu ban đầu mô hình giao tiếp giữa 2 hệ thống HVAC và HVDC khi có thiết bị bù 102

Bảng 4.5 Kết quả tính toán đầu nghịch lưu bằng chương trình Matlab 109

Bảng 4.6 Kết quả tính toán đầu chỉnh lưu bằng chương trình Matlab 116

Bảng 4.7 Kết quả bài toán giao tiếp AC/DC khi có bù 2 đầu HVDC 116

Bảng 4.8 Số liệu nút của mạng điện 5 nút 118

Bảng 4.9 Số liệu nhánh của mạng điện 5 nút 118

Bảng 4.10 Kết quả phân bố công suất mạng điện 119

Bảng 4.11 Dòng công suất nhánh và tổn thất của mạng điện 5 nút 119

Bảng 4.12 Các thông số khi giao tiếp giữa đường dây HVDC và mạng điện 5 nút 128

Bảng 4.13 Số liệu nút của mạng điện 5 nút khi có đường dây HVDC 130

Bảng 4.14 Số liệu nhánh của mạng điện 5 nút khi có đường dây HVDC 130

Bảng 4.15 Kết quả phân bố công suất mạng điện 5 nút 131

Bảng 4.16 Dòng công suất nhánh và tổn thất 131

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Kết nối đơn cực 12

Hình 1.2 Kết nối lưỡng cực 13

Hình 1.3 Các kiểu kết nối truyền tải một chiều 15

Hình 1.4 Kết nối đồng cực 16

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống HVDC lưỡng cực 17

Hình 1.6 Ký hiệu các van và cầu chỉnh lưu 18

Hình 1.7 Cấu tạo, ký hiệu và sơ đồ Thyristor 18

Hình 1.8 Các kiểu sắp xếp van 19

Hình 1.9 Các dạng kết nối máy biến áp 20

Hình 1.10 Bộ biến đổi trong mạch cầu 12 xung 21

Hình 2.1 Mạch tương đương của mạch biến đổi ba pha toàn sóng 26

Hình 2.2 Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch cầu hình 2.1 27

Hình 2.3 Dạng sóng điện áp và dòng điện qua các van với góc kích trễ α 29

Hình 2.4 Sự thay đổi góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện theo góc kích trễ α 31

Hình 2.5 Dạng sóng dòng điện 32

Hình 2.6 Ảnh hưởng của góc chồng chập trong chu kỳ dẫn của van 33

Hình 2.7 Thời gian (góc) dẫn của van với góc kích trễ 33

Hình 2.8 Mạch tương đương trong thời gian chuyển mạch 34

Hình 2.9 Dòng điện van trong chuyển mạch liên quan đến điện áp chuyển mạch 35

Hình 2.10 Dạng sóng điện áp ảnh hưởng của sự chồng chập mạch từ van 1 đến 3 36 Hình 2.11 Mạch tương đương của mạch cầu chỉnh lưu 38

Hình 2.12a Ảnh hưởng của chồng chập làm suy giảm t từ 90° xuống 90°- μ/2 38

Hình 2.12b Dạng sóng điện áp và chu kỳ dẫn của van ở chế độ làm việc của bộ nghịch lưu 39

Hình 2.13 Các góc ở chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu 41

Hình 2.14 Sơ đồ mạch tương đương của bộ biến đổi 41

Hình 2.15 Bộ biến đổi cầu 12 xung 45

Hình 2.16 Dạng sóng điện áp DC và dòng điện AC cầu 6 xung và 12 xung 46

Hình 2.17 Tỷ số máy biến áp 1:T 47

Hình 2.18 Sơ đồ và mạch tương đương của hệ thống HVDC đơn giản 49

Hình 2.19 Giao tiếp giữa hệ thống AC - DC 50

Hình 2.20 Các chế độ vận hành ở trạng thái xác lập ổn định 51

Hình 2.21 Đường đặc tính của chế độ vận hành 1 51

Hình 2.22 Đường đặc tính của chế độ vận hành 2 53

Hình 2.23 Đường đặc tính của chế độ vận hành 3 54

Hình 3.1 Tổn thất vầng quang theo độ cao 62

Hình 3.2 Tổn thất truyền tải theo chiều dài 63

Hình 3.3 Chi phí đầu tư khi P = 3500 MW 64

Hình 3.4 Chi phí đầu tư khi P = 10000 MW 64

Hình 3.5 Mức tăng tương đối về yêu cầu cách điện ở cao độ khác nhau 66

Hình 3.6 Tải trọng dây dẫn cho HVAC và HVDC 67

Hình 3.7 Số mạch yêu cầu khi truyền tải 6000 MW bằng HVDC và HVAC 68

Hình 3.8 So sánh giữa cột điện và đường dây AC - DC 70

Hình 3.9 Quan hệ giữa tiết diện dây dẫn và chi phí theo điện áp 70

Hình 3.10 Quan hệ công suất truyền tải trên km ở mỗi mức điện áp theo chi phí 71

Hình 3.11 Các chi phí đặc trưng đối với cáp cách điện rắn 72

Hình 3.12 Chi phí tổn thất (%) cho trạm theo mức độ tải 75

Hình 3.13 So sánh giữa chi phí AC và DC theo khoảng cách truyền tải 78

Hình 4.1 Lưu đồ phương pháp dòng chảy công suất Newton – Raphson 88

Hình 4.2 Mô hình hệ thống HVDC đơn giản hóa 89

Hình 4.3 Mô hình giao tiếp giữa 2 hệ thống HVDC và HVAC 91

Hình 4.4 Mô hình giao tiếp giữa 2 hệ thống HVDC và HVAC khi có thiết bị bù 102 Hình 4.5 Lưu đồ giải thuật giao tiếp và PBCS mạng AC - đường dây HVDC 117

Hình 4.6 Mô hình hệ thống điện AC 5 nút khi chưa có HVDC 118

Hình 4.7 Mô hình hệ thống xoay chiều 5 nút khi có đường dây HVDC 120

Hình 4.8 Phụ tải tổng hợp tương đương trong hệ thống AC tại các nút có nối với đường dây HVDC 130

LỜI MỞ ĐẦU

Điện năng được xem là nguồn năng lượng đặc biệt từ khâu sản xuất đến truyền tải, phân phối và sử dụng phải thông qua hệ thống đường dây truyền tải Ngày nay, điện năng là một yếu tố quan trọng không thể tách rời trong đời sống sinh hoạt và sản xuất Do nhu cầu tiêu thụ công suất ngày càng cao, nó đòi hỏi phải đảm bảo được tính an toàn, linh hoạt, độ tin cậy, tối ưu, chất lượng điện năng trong truyền tải và phân phối

Do đặc tính sản xuất ra nguồn năng lượng này có sự đa dạng và khác nhau như: thuỷ điện, nhiệt điện, điện hạt nhân và các nguồn năng lượng tái tạo khác (năng lượng gió, mặt trời, địa nhiệt, sóng, thuỷ triều…) vì vậy các nhà máy này được xây dựng tại những vị trí địa lý thuận lợi gần nguồn năng lượng khác nhau cách xa trung tâm đô thị thành phố, khu công nghiệp Để truyền tải điện năng từ nhà máy điện đến các trạm, các hộ tiêu thụ điện có thể chỉ vài chục km đến cả ngàn km (giữa các vùng khu vực, quốc gia, thậm chí cả châu lục) qua những địa hình khác nhau Chính vì lẽ đó, việc truyền tải điện đi càng xa điện áp càng cao thì phát sinh

ra nhiều vấn đề liên quan: sự cố đường dây, tổn thất điện áp, mất cân đối phân bố công suất, ổn định hệ thống, điều khiển, kiểm soát, bảo trì và chi phí xây dựng hệ thống đều tăng cao, có thể nói đây chính là những rào cản hiện hữu

So sánh cơ bản về truyền tải cao áp xoay chiều (HVAC) và truyền tải cao áp một chiều (HVDC), người ta nhận thấy rằng truyền tải HVDC có nhiều ưu điểm hơn về nhiều mặt kinh tế và kỹ thuật cho việc truyền tải đi xa đối với các hệ thống điện đồng bộ, không đồng bộ (kết nối điểm đến điểm) hoặc kết nối trạm phân phối không đồng bộ (kết nối kề lưng) thông qua việc biến đổi điện áp AC/DC và biến đổi ngược lại DC/AC Khi linh kiện bán dẫn công suất cao ra đời thay thế cho hệ thống đóng ngắt van thuỷ ngân trong những năm đầu, thì HVDC được phát triển ngày càng mạnh hơn ở các quốc gia trên thế giới

Ngày nay, hệ thống truyền tải HVDC chiếm một vị trí quan trọng trong việc truyền tải và phân phối điện năng trên thế giới với sự hỗ trợ của thiết bị FACT

(truyền tải xoay chiều linh hoạt), đã cải thiện đáng kể việc giao tiếp HVDC và HVAC trong hệ thống, thông qua việc điều khiển linh hoạt hơn, nhanh hơn trong bài toán phân bố công suất

Tại Việt Nam những năm gần đây, với chủ trương phát triển kinh tế, khoa học

kỹ thuật đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu quan tâm nhiều hơn đến vấn đề truyền tải HVDC Nhằm nâng cao tính linh hoạt và đa dạng truyền tải, lợi ích kinh tế đến mọi vùng miền trên Tổ quốc hoặc thậm chí mua bán điện đến các quốc gia lân cận Về nghiên cứu, đã có nhiều đề tài trình bày về các vấn đề liên quan đến hệ thống HVDC nhưng với đề tài luận văn này sẽ đưa ra một vấn đề quan trọng khác đó là giao tiếp giữa hai hệ thống HVDC – HVAC kết hợp với việc giải quyết được vấn đề phân bố công suất trong hệ thống truyền tải nhằm đạt hiệu quả tối ưu trong truyền tải điện

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1 Đặt vấn đề

Hệ thống truyền tải điện đóng vai trò rất quan trọng trong việc kết nối giữa nguồn và phụ tải tiêu thụ Thông thường các nhà máy phát điện thường được xây dựng ở những nơi có điều kiện cung cấp nguồn năng lượng, trong khi đó các phụ tải lại tập trung ở những nơi cách xa các nhà máy phát điện Vì vậy khoảng cách truyền tải từ nhà máy phát điện đến tải tiêu thụ là rất xa Bên cạnh đó, truyền tải điện qua những khu vực, biển đảo, vùng địa lý địa hình khó khăn mà truyền tải cao áp xoay chiều (HVAC) khó đạt hiệu quả về kinh tế và kỹ thuật Vì vậy phải nghiên cứu và đưa ra các giải pháp truyền tải tối ưu nhất để đạt hiệu quả về mặt kinh tế và kỹ thuật Trong đó truyền tải cao áp một chiều (HVDC) đã được nghiên cứu và áp dụng từ nhiều năm trước trên thế giới vì truyền tải HVDC có nhiều ưu điểm so với truyền tải AC

Ngày nay công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều là một thành phần không thể thiếu trong hệ thống truyền tải điện của nhiều quốc gia trên thế giới Truyền tải điện cao áp một chiều có nhiều thuận lợi hơn truyền tải điện xoay chiều trong một

- Hành lang tuyến của đường dây HVDC nhỏ hơn HVAC: Do thiết kế cột gọn nhẹ hơn, số mạch ít hơn và 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 nên hành lang tuyến của đường dây DC nhỏ gọn hơn AC, chi phí cho đền bù, giải phóng mặt bằng thấp hơn

- Đầu tư cho đường dây truyền tải 1 chiều thấp hơn xoay chiều do thiết kế cột của đường dây 1 chiều gọn nhẹ hơn, xây dựng đường dây đơn giản

- Tổn thất đường dây thấp hơn, tải nhiều điện năng hơn vào mạng xoay chiều

mà không làm tăng dòng ngắn mạch và định mức của các máy cắt

- 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 không đồng bộ: Hệ thống 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 50km 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 600km)

- Hệ thống HVDC có khả năng cách ly sự cố rã lưới và tăng độ ổn định hệ thống điện 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

Với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, khoa học máy tính, các bộ biến đổi bán dẫn công suất lớn như thyristror, IGBT…Van thyristor trở thành phần tử chính của các trạm biến đổi Các thiết bị biến đổi ngày nay có kích thước trở nên gọn và giá thành giảm vì vậy truyền tải điện HVDC trở nên hấp dẫn hơn

Sự kết hợp giữa 2 hệ thống HVDC và HVAC là một vấn đề mới trong hệ thống truyền tải mà chúng ta phải giải quyết Giải quyết được vấn đề giao tiếp giữa

2 hệ thống, bài toán phân bố công suất trong hệ thống truyền tải khi kết hợp giữa HVDC và HVAC thì sẽ nâng cao khả năng điều khiển linh hoạt, tin cậy trong mọi điều kiện vận hành của hệ thống truyền tải điện

2 Nội dung nghiên cứu của đề tài

Giới thiệu một cách tổng quan về công nghệ truyền tải HVDC và mô hình hóa

hệ thống truyền tải HVDC

Phân tích các đặc điểm kinh tế và kỹ thuật của công nghệ HVDC để chúng ta

có thể đánh giá một cách toàn điện các ưu nhược điểm của công nghệ HVDC So sánh tính kinh tế và kỹ thuật của truyền tải HVDC và HVAC

Nghiên cứu mối quan hệ giao tiếp giữa 2 hệ thống truyền tải HVDC và HVAC

Ứng dụng chương trình xử lý toán học Matlab giải quyết bài toán giao tiếp và phân bố công suất trong hệ thống truyền tải khi có đường dây HVDC

3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Giải quyết bài toán phân bố công suất của hệ thống HVDC có 2 đầu Những phân tích đánh giá chỉ mang tính gợi mở, việc xây dựng các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật có thể thực hiện được với thời gian nghiên cứu lâu dài và có sự hợp tác của nhiều cơ quan liên quan

4 Điểm mới của đề tài

Việc sử dụng công nghệ truyền tải HVDC ở Việt Nam vẫn chưa được chú ý đến nhiều Mặc dù vậy trong lĩnh vực nghiên cứu truyền tải điện năng thì không thể không đề cập đến truyền tải HVDC

Vì vậy tất cả các vấn đề liên quan đến HVDC chúng ta đều phải giải quyết, mà vấn đề giao tiếp giữa HVDC và HVAC và phân bố công suất trong hệ thống truyền tải điện khi kết nối đường dây HVDC vào hệ thống truyền tải điện AC là một trong những vấn đề cần giải quyết để hệ thống truyền tải hoạt động ổn định, linh hoạt và hiệu quả

5 Giá trị thực tiễn của đề tài

Giới thiệu trên quan điểm khoa học về việc đánh giá, so sánh và lựa chọn sử dụng HVDC theo các phân tích kinh tế và kỹ thuật

Giải quyết vấn đề trong giao tiếp giữa HVDC và HVAC, giải quyết vấn đề phân bố công suất trong hệ thống truyền tải, từ đó nâng cao được ưu điểm trong mạng truyền tải khi kết hợp hai hệ thống truyền tải HVDC và HVAC

6 Kết cấu của đề tài

Tên đề tài: “Khảo sát phân bố công suất trong hệ thống điện có đường dây HVDC” Nội dung của Luận văn được trình bày gồm có các chương sau:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ truyền tải điện HVDC

Chương 2: Nguyên lý hoạt động của hệ thống HVDC

Chương 3: So sánh giữa truyền tải điện HVDC và HVAC

Chương 4: Phân bố công suất trong hệ thống truyền tải

Chương 5: Kết luận

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 1931), hệ thống truyền tải điện đầu tiên là hệ thống điện một chiều, công suất thấp

(1847-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

Cáp ngầm (km)

Dây trên không (km)

Điện áp (kV)

Công suất (MW)

Năm Loại Ghi chú

ABB, Siemens,

NR (Protetion

&

Control)Yunnan -

& Control)

NR (Protetion

&

Control)Biswanath-

ABB

&

Alstom Mundra -

&

Control)Mackinac

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

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

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

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

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

Hình 1.4 Kết 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

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

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

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

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

Hình 1.9 Các dạng kết nối máy biến áp

Hình 1.10 Bộ biến đổi trong mạch cầu 12 xung Công suất định mức có thể xác định một cách tối ưu cho mạch biến đổi 12 xung của bộ biến đổi với hệ số sử dụng cao nhất là[2]:

ST = 1,047×Vd0×Id

Trong đó:

Vd0: Điện áp DC định mức cực đại khi chưa có góc kích trễ

Id: Dòng điện định mức qua biến đổi

Đặc tính quan trọng nhất của máy biến áp bộ biến đổi là tổng trở ngắn mạch,

nó ảnh hưởng đến thời gian đảo mạch và giới hạn dòng ngắn mạch trên đường dây

DC

Bộ đổi nấc máy biến áp được sử dụng chủ yếu để giảm nhu cầu tiêu thụ công suất phản kháng của bộ biến đổi và dãy tỉ số biến điện áp thay đổi tùy theo sơ đồ mạch biến đổi và đặc trưng của từng hệ thống Nó thay đổi từ ±5% đến ±20% Bộ đổi nấc máy biến áp được thiết kế với tiêu chuẩn cơ khí cao nhất, số lượng nấc biến

áp nhiều hơn các bộ đổi nấc cho AC rất nhiều Để nâng cao khả năng của nó hiện nay người ta đã dùng bộ đổi nấc máy biến áp đặt trong chân không

Về giá cả thì các máy biến áp cho bộ biến đổi chiếm tỉ lệ nhiều nhất trong một trạm HVDC dạng Back-to-Back

1.4.2 Cuộn kháng nắn dòng

Đây là các cuộn kháng có điện cảm lớn có điện cảm từ 0.5 đến 1.0H[6] mắc nối tiếp với mỗi cực của mỗi trạm biến đổi Nó đáp ứng các mục đích sau:

- Giảm các hoạ tần điện áp và dòng điện trên đường dây một chiều

- Tránh sự cố chuyển mạch trong nghịch lưu

- Tránh dòng điện trở nên không liên tục khi mang tải thấp, giới hạn đỉnh dòng điện trong chỉnh lưu khi xảy ra ngắn mạch trên đường dây một chiều

Các cuộn kháng này có thể là dạng kháng điện tuyến tính hay phi tuyến với điện trở thấp và điện kháng phù hợp yêu cầu Không có một tiêu chuẩn rõ ràng cho việc lựa chọn cuộn kháng của đường dây Khi điện kháng của cuộn dây tăng lên thì dòng DC sẽ càng phẳng, dạng sóng và lượng họa tần DC sẽ được cải thiện tuy nhiên

nó lại làm cho đáp ứng điều khiển chậm lại cũng như tần số cộng hưởng bị giảm làm cho sự ổn định của điều khiển dòng điện trở nên khó khăn

Đối với những van Thyristor hiện đại, yêu cầu điện kháng của cuộn dây thấp hơn nhiều do bản thân những van này đã có mạch hạn dòng Những cuộn kháng thường dùng hiện nay là loại có cách điện và làm mát bằng không khí Mạch từ của cuộn kháng DC gồm một khung sắt bao quanh cuộn dây và ruột (lõi) không khí

1.4.3 Bộ lọc họa tần (sóng hài)

Bộ biến đổi sinh ra các họa tần điện áp và dòng điện ở cả hai phía xoay chiều

và một chiều Họa tần cũng là nguyên nhân gây ra phát nóng tụ điện và máy phát gần đó, làm nhiễu tín hiệu thông tin liên lạc Mạch lọc do đó cũng dùng về cả hai phía xoay chiều và một chiều

Tần số của họa tần đặc trưng bằng bội số của xung chuyển mạch cơ bản của một biến đổi tại mỗi tần s, số chu kỳ cơ bản theo công thức n = pk ± 1 (với k = 1, 2,3, ) Đối với các mạch biến đổi thường dùng hiện nay số lượng xung chuyển mạch là 12 Do vậy các họa tần đặc trưng là n = 12k ± 1 (có nghĩa là 11, 13, 23, 25, ) Các họa tần không đặc trưng có tất cả trong những phần khác của nguồn họa tần theo một số những hệ số riêng nào đó Chúng được sinh ra như là kết quả của những điện dung rải trong mạch biến đổi, sự mất đối xứng giữa tổng trở trong các

cuộn dây khác nhau của máy biến áp và sự khác biệt giữa những giá trị khác nhau của góc kích trong một bộ biến đổi

Để giảm dòng họa tần này người ta dùng bộ lọc dạng bị động ở cả 2 phía AC

và DC của bộ biến đổi Việc dùng các bộ biến đổi cầu 12 xung cũng có tác dụng làm giảm đáng kể lượng họa tần bậc cao là tạo được một đường dẫn tổng trở thấp dẫn dòng họa tần ở một số tần số xác định xuống đất

Những yêu cầu của bộ lọc AC: Làm giảm hệ số biên độ họa tần tổng tới một mức độ được định trước cho các họa tần trong khi vẫn giữ được mỗi họa tần nằm trong khoảng giới hạn nhất định của nó Phù hợp với nhu cầu công suất phản kháng của bộ biến đổi, có xét cả những thành phần bù có điều khiển khác nữa trong hệ thống Không nhạy cảm với những dao động tần số và sự bất đối xứng của hệ thống Các yếu tố cần quan tâm trong thiết kế các bộ lọc họa tần bậc cao cho trạm biến đổi: Dung lượng của bộ lọc phải được xác định theo nhu cầu về công suất phản kháng của bộ biến đổi khi có sự so sánh kinh tế với máy phát, tụ bù tĩnh, máy bù đồng bộ, SVC Chất lượng (Q) của bộ lọc đặc trưng bởi độ chỉnh nhuyễn, chính hệ

số phẩm chất sẽ phân biệt 2 loại bộ lọc là lọc thông cao và lọc có điều chỉnh

Tiêu chuẩn chọn lọc họa tần phía DC: Mạch biến đổi dạng cầu 12 xung đã tạo

ra 12 chu kỳ nhấp nhô của dòng DC, có nghĩa là điện áp bị đảo mạch 12 lần, các thành phần họa tần 12xn sẽ cùng pha và được sinh ra trên dây Phần lớn lượng họa tần này bị giảm nhờ cuộn kháng cản dòng Các bộ lọc DC chủ yếu được thiết kế nhằm đảm bảo lượng họa tần trên dây DC ở một mức chấp nhận được Nếu giá trị cuộn kháng tăng lên thì lượng họa tần lọc sẽ giảm nhỏ lại, tuy nhiên kích thước của cuộn kháng lại ảnh hưởng đến những yếu tố vận hành khách quan toàn hệ thống Các phương án lọc họa tần DC: Một là dùng bộ lọc bị động và hai là dùng bộ lọc tích cực Các bộ lọc DC thường dùng để triệt tiêu các họa tần 12, 24, 36 Có thể dùng các bộ lọc “chỉnh một tần số” hay “chỉnh hai tần số” cho họa tần 12, 24 và

“lọc thông cao cho họa tần bậc 36 trở lên” Các bộ lọc này không giữ nhiệm vụ cung cấp công suất phản kháng cho trạm biến đổi nên sẽ có kích thước nhỏ, tổn thất

ít

1.4.4 Nguồn cung cấp công suất phản kháng

Trong quá trình vận hành thực chất công suất kháng tiêu thụ khoảng 50% công suất tác dụng tải qua Trong tình trạng quá độ yêu cầu về công suất kháng có thể là lớn hơn Nguồn công suất phản kháng được đặt gần bộ biến đổi Trong hệ thống điện xoay chiều lớn, công suất phản kháng được tao ra bằng cách bù ngang Điều này phù thuộc vào yêu cầu đặt ra cho hệ thống kết nối một chiều và trên hệ thống xoay chiều mà một phần công suất phản kháng có thể được tạo ra từ máy bù tĩnh hoặc bù đồng bộ Các tụ điện trong mạch lọc cũng bù một phần công suất phản kháng yêu cầu

là một phần tử không thể thiếu trong hệ thống truyền tải HVDC

1.4.6 Đường dây một chiều

Là đường dây trên không hay cáp ngầm Ngoại trừ số dây dẫn và khoảng cách yêu cầu giữa các dây, đường dây DC trông rất giống đường dây AC

Các đường cáp ngầm cao áp một chiều thường dùng để truyền tải điện qua biển Loại cáp phổ biến nhất là cáp dầu (oil filled cable) và cáp đặc (solid cable) Trong nhiều trường hợp, cáp đặc sẽ kinh tế hơn vì chất cách điện được cấu tạo từ các lớp giấy tẩm dầu có độ nhớt cao Ngày nay có thể thiết kế cho cáp đặc ở độ sâu khoảng 1000m và không gặp giới hạn về khoảng cách Loại cáp dầu có chất cách điện là dầu có độ nhớt thấp đầy trong cáp và luôn làm việc với một áp suất nhất định Khoảng cách lớn nhất cho loại cáp dầu khoảng 60 km

1.4.7 Máy cắt điện AC

Để loại trừ một số sự cố trong máy biến áp cũng như để tách kết nối DC ra khỏi hệ thống vận hành, máy cắt được đặt phía xoay chiều Chúng không dùng để