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 giúp đánh giá toàn diện các ưu và nhược điểm của nó So sánh giữa truyền tải HVDC và HVAC cho thấy HVDC có lợi thế về hiệu suất truyền tải xa, giảm tổn thất năng lượng và khả năng kết nối lưới điện từ xa, trong khi HVAC thường được ưa chuộng cho các khoảng cách ngắn hơn do chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn Việc hiểu rõ những đặc điểm này sẽ hỗ trợ trong việc lựa chọn công nghệ phù hợp cho các dự án truyền tải điện.
Nghiên cứu mối quan hệ giao tiếp giữa hệ thống truyền tải HVDC và HVAC là rất quan trọng Bài viết ứng dụng chương trình xử lý toán học Matlab để giải quyết vấn đề giao tiếp và phân bố công suất trong hệ thống truyền tải, đặc biệt khi có sự hiện diện của đường dây HVDC Việc hiểu rõ sự tương tác giữa hai hệ thống này sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền tải điện năng.
Điểm mới của đề tài
Công nghệ truyền tải HVDC chưa được chú trọng nhiều tại Việt Nam, nhưng nó đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu truyền tải điện năng.
Để đảm bảo hệ thống truyền tải điện hoạt động ổn định, linh hoạt và hiệu quả, cần giải quyết các vấn đề liên quan đến HVDC, đặc biệt là giao tiếp giữa HVDC và HVAC cũng như phân bố công suất trong hệ thống khi kết nối đường dây HVDC vào hệ thống truyền tải điện AC.
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 giao tiếp giữa hệ thống truyền tải điện một chiều cao áp (HVDC) và hệ thống truyền tải điện xoay chiều cao áp (HVAC) là rất quan trọng để tối ưu hóa phân bố công suất trong hệ thống truyền tải Việc kết hợp hai công nghệ này sẽ nâng cao hiệu suất và khả năng truyền tải, mang lại nhiều lợi ích cho mạng lưới điện.
Kết cấu của đề tài
Đề tài "Khảo sát phân bố công suất trong hệ thống điện có đường dây HVDC" nghiên cứu về việc phân tích và đánh giá cách thức phân bố công suất trong các hệ thống điện sử dụng công nghệ truyền tải điện một chiều cao áp (HVDC) Luận văn được cấu trúc thành nhiều chương, mỗi chương tập trung vào các khía cạnh khác nhau của hệ thống HVDC, từ nguyên lý hoạt động, lợi ích cho đến các ứng dụng thực tiễn trong ngành điện lực.
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
TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI ĐIỆN HVDC
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, kỹ sư của công ty ASEA Thụy Điển đã phát triển hệ thống van hồ quang thủy ngân để đóng cắt tần số lưới trong truyền tải điện một chiều với công suất và điện áp cao Các thử nghiệm đầu tiên được thực hiện tại Thụy Điển và Mỹ vào năm 1930 nhằm kiểm tra hoạt động của các van này trong quá trình chuyển đổi chiều truyền tải và thay đổi tần số.
Truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC) có nhiều ưu điểm vượt trội so với truyền tải điện xoay chiều cao áp (HVAC) trong những trường hợp đặc biệt Ứng dụng thương mại đầu tiên của HVDC diễn ra giữa đất liền Thụy Điển và đảo Gotland vào năm 1954, với hệ thống van hồ quang thủy ngân đầu tiên có công suất 20MW và chiều dài 98km sử dụng cáp ngầm vượt biển Kể từ đó, số lượng hệ thống truyền tải HVDC đã gia tăng đáng kể.
Khóa Valve Thyristor đã cách mạng hóa truyền tải HVDC, bắt đầu được ứng dụng lần đầu tiên tại Canada vào năm 1972 Hiện nay, van Thyristor đã trở thành thiết bị tiêu chuẩn cho các trạm biến đổi DC Sự phát triển gần đây trong công nghệ chuyển đổi đã giúp giảm đáng kể kích thước, chi phí đầu tư và cải thiện độ tin cậy của hệ thống Những tiến bộ này đã thúc đẩy sự phổ biến của truyền tải HVDC, đặc biệt là tại Bắc Mỹ, nơi tổng công suất của các liên kết HVDC ngày càng tăng.
Năm 1987, công suất truyền tải đạt hơn 14.000MW Gần đây, sự phát triển của các linh kiện bán dẫn công suất lớn đã thúc đẩy công nghệ truyền tải điện một chiều cao áp (HVDC), dẫn đến những thành công vượt bậc với các đường dây dài hơn 2000km và điện áp 800kV DC lưỡng cực, sử dụng 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
Kể từ năm 2000, công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC) đã được cải tiến đáng kể với sự ra đời của linh kiện bán dẫn hiện đại, đặc biệt là IGBT, dẫn đến sự phát triển của công nghệ HVDC Light.
Trên toàn cầu, đã có 79 công trình truyền tải điện một chiều được xây dựng, bao gồm 33 trạm Back to Back và 46 đường dây truyền tải Trong số đó, có 6 công trình dự kiến sẽ đi vào vận hành từ nay đến năm 2010, với 2 dự án tại Mỹ, 1 ở Trung Quốc, và 1 ở Na Uy – Hà Lan.
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]
Dây trên không (km) Điện áp (kV)
Clean Line 805 ±600 3,500 2017 Thyr Siemens HVDC Italy-
HVDC 670 1030 500 Thyr Đang thi công Labrador -
INELFE 60 ±320 2000 2014 IGBT Đang thi công
Thành tựu mới đạt được của công nghệ truyền tải điện
Từ những năm 1970, sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy công nghệ truyền tải, đặc biệt là công nghệ truyền tải HVDC Những thành tựu đáng kể của HVDC đã đáp ứng các yêu cầu cải tiến và hỗ trợ sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử công suất cùng cáp ngầm DC HVDC đã mở ra nhiều ứng dụng mà HVAC không thể thực hiện, khẳng định vai trò quan trọng của nó trong lĩnh vực truyền tải điện.
- Kết nối giữa hai hệ thống có tần số khác nhau (Back to Back hoặc Point to
Việc liên kết các hệ thống không đồng bộ giúp giảm thiểu nhiều sự cố thường gặp trong hệ thống truyền tải điện xoay chiều, bao gồm dao động điện áp, sóng hài, bù công suất phản kháng, tổn thất đường truyền và điều khiển dòng sự cố.
Truyền tải công suất lớn qua khoảng cách trên 600km mang lại lợi ích kinh tế rõ rệt Tuy nhiên, việc xây dựng đường dây cao áp xoay chiều đòi hỏi chi phí lớn để giải tỏa hành lang an toàn và lắp đặt cột chống đỡ dây dẫn, đặc biệt là qua những địa hình khó khăn như sông, biển và núi rừng.
Công nghệ siêu dẫn nhiệt độ cao đang phát triển nhanh chóng, cho phép dây dẫn sử dụng vật liệu siêu dẫn chịu nhiệt dẫn dòng cao gấp 2 đến 3 lần so với dây dẫn thông thường Các đường dây trên không sử dụng dây nhôm lõi composite có khả năng thay thế dây nhôm lõi thép, đồng thời tăng công suất truyền tải gấp 2 lần, rất phù hợp cho việc truyền tải điện trong các thành phố lớn với hành lang an toàn hạn chế Đặc biệt, cáp ngầm dưới nước có thể truyền tải điện ở khoảng cách lớn hơn 30km, trong khi việc sử dụng AC gặp khó khăn do điện dung cao (μF) đòi hỏi phải có bù.
Cấu hình hệ thống HVDC
Các kết nối DC được phân thành ba loại chính:
Kết nối đơn cực, như mô tả trong hình 1.1, sử dụng một dây dẫn với cực tính âm và thường có đường dây trở về qua đất hoặc nước Các khảo sát chi phí cho thấy hệ thống này thường được áp dụng trong việc truyền tải bằng cáp ngầm Đây là cấu hình cơ bản và tiên phong cho sự phát triển lên cấu hình lưỡng cực.
Thay vì sử dụng đường dây trở về qua đất khi điện trở đất quá lớn hoặc có nguy cơ gây nhiễu loạn thông tin, có thể sử dụng đường dây kim loại làm đường dây trở về trong trường hợp điện áp thấp, đặc biệt cho các công trình ngầm hoặc dưới nước.
Kết nối lưỡng cực, như được mô tả trong hình 1.2, bao gồm hai dây: một dây dương và một dây âm, với mỗi đầu điều có bộ biến đổi điện áp định mức bằng nhau, mắc nối tiếp theo một chiều và điểm nối giữa hai bộ biến đổi được nối đất Trong trạng thái bình thường, dòng điện trên hai cực là bằng nhau, trong khi dòng qua đất bằng không Hai cực có khả năng vận hành độc lập; nếu một cực bị cô lập do sự cố, cực còn lại vẫn có thể hoạt động với đất làm đường dây trở về và mang nửa tải Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống này là chi phí xây dựng đường dây và trạm chuyển đổi cao hơn so với cấu hình đơn cực.
Hệ thống kết nối lưỡng cực được coi là tương đương với đường dây xoay chiều hai mạch trong quan điểm chống sét, giúp giảm thiểu ảnh hưởng nhiễu hoạ tần đến các công trình lân cận Việc đảo chiều công suất được thực hiện thông qua bộ điều khiển bằng cách thay đổi cực tính của hai cực.
Khi dòng tản qua đất không thuận lợi hoặc việc nối đất không hiệu quả do điện trở đất cao, có thể sử dụng đường dây dẫn thứ ba để trở về cho dòng điện khi một cực ngừng hoạt động hoặc xảy ra sự không cân bằng Dây dẫn thứ ba yêu cầu mức cách điện thấp và cũng được sử dụng làm dây bảo vệ chống sét cho 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 là giải pháp kết nối hai hệ thống xoay chiều tại cùng một địa điểm mà không cần đường dây truyền tải giữa các cầu chỉnh lưu và nghịch lưu, có thể sử dụng cấu hình đơn cực hoặc lưỡng cực Giải pháp này thường được áp dụng khi kết nối hai hệ thống điện có tần số cơ bản khác nhau hoặc các hệ thống không đồng bộ Với việc tập trung các bộ biến đổi, trạm Back-to-Back mang lại lợi ích lớn cho việc điều khiển và bảo trì thiết bị.
Kết nối giữa hai trạm được áp dụng khi xây dựng đường dây truyền tải cao áp một chiều là phương án kinh tế nhất cho các trạm chuyển đổi ở vị trí xa Đây là kiểu truyền tải một chiều phổ biến hiện nay, với mỗi mạch đường dây ± 500kV (2 cực) có khả năng tải khoảng 3000MW Thông thường, hệ thống này sử dụng đường dây trên không để truyền tải lượng công suất lớn đi khoảng cách rất xa.
Kiểu truyền tải giữa nhiều trạm được áp dụng khi có từ 3 trạm chuyển đổi trở lên ở các vị trí địa lý khác nhau, có thể kết nối theo kiểu nối tiếp hoặc song song Kết nối song song được sử dụng khi tất cả các trạm có cùng điện áp và công suất trạm lớn hơn 10% tổng công suất trạm chỉnh lưu Ngược lại, kiểu kết nối nối tiếp được áp dụng khi công suất trạm nhỏ hơn 10% tổng công suất trạm chỉnh lưu Tuy nhiên, chi phí cho việc thêm các trạm là rất lớn, khiến kiểu truyền tải nhiều trạm khó đạt được hiệu quả kinh tế.
Kiểu nối bộ tổ máy sử dụng hệ thống truyền tải điện một chiều kết nối ngay tại đầu ra của máy phát điện, rất phù hợp cho các máy phát thủy điện và tuabin gió nhờ khả năng đạt hiệu suất tối ưu Điện năng xoay chiều từ phía nghịch lưu sẽ có tần số cơ bản là 50 Hz hoặc 60 Hz, không bị ảnh hưởng bởi tốc độ của tuabin.
Kiểu chỉnh lưu Diode là giải pháp hiệu quả khi công suất điện một chiều chỉ truyền tải theo một hướng duy nhất Hệ thống van chỉnh lưu sử dụng Diode thay vì Thyristor, cho phép điều khiển công suất truyền tải ở phía nghịch lưu Điều này đặc biệt có lợi cho việc kết nối bộ tổ máy phát, vì dòng công suất có thể được điều khiển dựa vào điện áp xoay chiều thông qua hệ thống kích từ máy phát Để bảo vệ quá dòng cho Diode khi xảy ra ngắn mạch trên đường dây một chiều, kiểu đấu nối này yêu cầu sử dụng máy cắt xoay chiều tốc độ cao giữa máy phát và bộ chỉnh lưu.
Hình 1.3 Các kiểu kết nối truyền tải một chiều Đa cực song song
Tuabin gió và thủy điện cấp cho bộ chỉnh lưu Đa cực nối tiếp
Cấu hình kết nối đồng cực, như mô tả trong hình 1.4, bao gồm hai hoặc nhiều dây có cùng cực tính, thường ưu tiên sử dụng cực tính âm để giảm thiểu nhiễu thông tin do vầng quang Đường trở về được thực hiện qua đất, cho phép bộ biến đổi duy trì khả năng cung cấp cho các đường dây còn lại trong trường hợp có sự cố xảy ra trên một dây Như vậy, cấu hình đồng cực cho thấy sự thuận lợi khi cho phép đường trở về qua đất.
Khi dòng trở về được nối đất, nó có thể ảnh hưởng đến các công trình như đường ống kim loại dẫn dầu hoặc khí ở khoảng cách vài dặm Trong trường hợp này, các đường ống này trở thành đường dây dẫn dòng trở về, do đó việc sử dụng đường dây trở về nối đất thường không được khuyến nghị.
Hệ thống HVDC "lưng kề lưng" (B2B) được sử dụng cho các liên kết không đồng bộ, có khả năng vận hành đồng cực hoặc lưỡng cực Số lượng nhóm van cho mỗi cực được thiết kế khác nhau, tùy thuộc vào mục đích của liên kết và độ tin cậy mong muốn.
Hầu hết các kết nối HVDC hiện nay là kết nối “điểm – điểm” (PtP) với cấu trúc đường dây lưỡng cực, chủ yếu được sử dụng trong các tình huống khẩn cấp Thiết kế của chúng đảm bảo sự độc lập giữa các cực, giúp ngăn chặn tình trạng mất điện trên toàn bộ đường dây lưỡng cực.
Các phần tử chính trong hệ thống HVDC
Hệ thống HVDC bao gồm các thành phần chính được minh họa trong hình 1.5, với mô hình lưỡng cực làm ví dụ Dưới đây là tóm tắt về các phần tử của hệ thống này.
Biến đổi AC/DC (chỉnh lưu) và DC/AC (nghịch lưu) là những thành phần thiết yếu trong hệ thống HVDC, bao gồm cầu van và máy biến áp có đầu phân áp Cầu van được cấu tạo từ các van cao áp theo sơ đồ 6 xung hoặc 12 xung, trong khi máy biến áp biến đổi cung cấp nguồn điện ba pha với điện áp phù hợp cho các cầu van Hệ thống điện một chiều có thể được nối đất riêng, thường thông qua đầu âm hoặc đầu dương cuối bộ cầu van, nhờ vào cuộn dây máy biến áp phía van không nối đất.
Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống HVDC lưỡng cực
Van là thành phần thiết yếu của bộ chuyển đổi công suất một chiều, được chia thành hai loại: van không điều khiển được, cấu tạo từ một hoặc nhiều Diode công suất mắc nối tiếp, và van điều khiển được, được tạo thành từ chuỗi Thyristor.
Thyristor, hay còn gọi là SCR, là một thiết bị chỉnh lưu bán dẫn được cấu tạo từ 4 lớp PNPN ghép nối tiếp, hoạt động như một khóa đóng cắt Thiết bị này có ba đầu cực: Anode, Cathode và Gate, cho phép dòng điện chỉ đi qua từ Anode sang Cathode Thời điểm bắt đầu dẫn dòng của Thyristor được điều khiển thông qua 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
Van Thyristor được cấu tạo từ nhiều Thyristor mắc nối tiếp để đạt điện áp định mức và mắc song song để đạt dòng điện định mức mong muốn Với các thế hệ Thyristor hiện đại có khả năng chịu dòng điện cao, việc sử dụng nhiều Thyristor không còn là điều cần thiết Số lượng Thyristor nối tiếp trong van được xác định dựa trên điện áp định mức, nguyên lý bảo vệ và khả năng chịu quá áp quá độ.
Trong các van Thyristor, thường lắp thêm từ 3 – 7% số lượng Thyristor cần thiết để đảm bảo dự phòng Các van này thường được cách điện bằng khí và có thể được làm mát bằng nhiều phương tiện như khí, nước, dầu hoặc freon Hiện nay, tại các trạm biến đổi, việc làm mát bằng nước được ưa chuộng để giảm thiểu tổn thất công suất.
Nhà sản xuất có thể chế tạo các module van phù hợp với cấu trúc lựa chọn của mạch biến đổi, bao gồm module 2, 3 hoặc 4 van Đối với mạch biến đổi 12 xung phổ biến hiện nay, thường sử dụng 3 bộ module 4 van ghép lại Các module 4 van thường được chế tạo theo các cấp 50.
Các van Thyristor với điện áp 125, 250 kV có dòng định mức từ 800A đến 4000A đang được cải thiện về độ an toàn và tin cậy nhờ vào công nghệ mới như bộ chống sét, tụ điện và cuộn kháng Những công nghệ này giúp tăng khả năng chịu quá dòng và quá áp cho van Đồng thời, kỹ thuật điều khiển vi điện tử cũng được phát triển để tự động hóa hoạt động của các van, cho phép thay thế kịp thời những hỏng hóc và bảo vệ an toàn Những cải tiến công nghệ liên tục này đã nâng cao độ tin cậy và an toàn cho các trạm HVDC.
Van 4 đoạn Van 2 đoạn Van 1 đoạn
1.4.1.2 Máy biến áp của bộ chuyển đổi
Hiện nay, hầu hết các trạm biến đổi HVDC sử dụng bộ biến đổi cầu 12 xung Điện áp phía bộ chuyển đổi của máy biến áp cho trạm back-to-back phụ thuộc vào khả năng truyền tải và dòng điện định mức của Thyristor Đối với các đường dây dài, điện áp của van được xác định chủ yếu dựa trên mật độ dòng điện kinh tế nhất, liên quan đến 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
Hệ thống sử dụng một pha và hai cuộn dây, với sáu máy biến áp cho mỗi bên Công suất định mức của các máy biến áp được lựa chọn dựa trên công suất định mức của bộ biến đổi Do khả năng chịu dòng quá tải của Thyristor không cao, nên công suất định mức của máy biến áp nên được chọn sát với mức trần bình thường của bộ biến đổi.
Hình 1.9 Các dạng kết nối máy biến áp
Bộ biến đổi trong mạch cầu 12 xung có thể được tối ưu hóa để xác định công suất định mức với hệ số sử dụng cao nhất.
Vd0: Điện áp DC định mức cực đại khi chưa có góc kích trễ
Dòng điện định mức qua biến đổi là một yếu tố quan trọng trong hoạt động của máy biến áp bộ biến đổi Tổng trở ngắn mạch là đặc tính chủ yếu của máy biến áp, ảnh hưởng đến thời gian đảo mạch và giới hạn dòng ngắn mạch trên đường dây.
Bộ đổi nấc máy biến áp chủ yếu được sử dụng để giảm nhu cầu tiêu thụ công suất phản kháng của bộ biến đổi, với tỉ số biến điện áp có thể thay đổi từ ±5% đến ±20% tùy theo sơ đồ mạch và đặc trưng hệ thống Được thiết kế với tiêu chuẩn cơ khí cao nhất, bộ đổi nấc máy biến áp có số lượng nấc nhiều hơn so với các bộ đổi nấc cho AC Hiện nay, để nâng cao khả năng hoạt động, người ta đã sử dụng bộ đổi nấc máy biến áp trong môi trường 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
Để tránh tình trạng dòng điện không liên tục khi tải thấp, cần giới hạn đỉnh dòng điện trong quá trình chỉnh lưu nhằm bảo vệ hệ thống khỏi các sự cố ngắn mạch trên đường dây một chiều.
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG HVDC
Phân tích hoạt động bộ biến đổi
2.1.1 Mạch cầu 3 pha toàn sóng
Hình 2.1 Mạch tương đương của mạch biến đổi ba pha toàn sóng
Mô hình cơ bản của hệ thống biến đổi HVDC bao gồm ba pha cầu toàn sóng, như mô tả trong hình 2.1 Bộ biến đổi điện áp sử dụng cầu phân áp ở phía xoay chiều để điều khiển điện áp Cuộn dây phía thứ cấp (AC) của máy biến áp thường được kết nối theo hình sao với trung tính nối đất, trong khi phía van (thứ cấp) của máy biến áp thường được nối theo hình tam giác hoặc sao không nối đất trung tính.
Các giả thiết được đặt ra trong quá trình phân tích:
Hệ thống AC bao gồm máy biến áp, được mô tả như một nguồn áp lý tưởng với điện áp và tần số không đổi, kết nối với điện kháng tản của máy biến áp.
- Dòng điện I d không đổi và không gợn sóng do có cuộn kháng lọc cực lớn
L d làm phẳng dòng về phía DC
- Các van đóng là lý tưởng có điện trở bằng không khi dẫn và vô cùng khi không dẫn Điện áp pha của nguồn điện áp:
2.1.2 Hoạt động của bộ biến đổi khi bỏ qua ảnh hưởng của cảm kháng nguồn 2.1.2.1 Góc kích trễ bằng không
Hình 2.2 minh họa dạng sóng điện áp và dòng điện trong mạch cầu như thể hiện ở hình 2.1, bao gồm: a) điện pha và điện áp dây của nguồn xoay chiều; b) dòng điện qua các van và chu kỳ dẫn; c) dòng điện qua pha a.
Như sơ đồ mạch 2.1 các van thyristor có cực cathode 1, 3 và 5 nối với nhau phía trên Van thyristor 2, 4 và 6 nối với nhau phía dưới
- Khi dẫn dòng điện qua van là I d
- Dòng điện trong mỗi pha phía nguồn xoay chiều gồm các dòng điện chạy qua hai van có nối vào các pha đó
Hình 2.2a minh họa dạng sóng cho thấy van 1 hoạt động trong khoảng góc -120º đến 0º khi e a lớn hơn e b hoặc e c Trong khi đó, van 2 hoạt động từ -60º đến 60º, với e c có xu hướng tăng dần độ lớn (bán kỳ âm) so với e a và e b trong suốt chu kỳ này.
Hình 2.2b minh họa thời gian dẫn của từng van, cùng với thời gian và biên độ của dòng điện trong chu kỳ dẫn Theo giả thiết, dòng điện trong mỗi van dẫn là hằng số I d và bằng 0 khi không dẫn.
Trong khoảng thời gian từ 0º đến 120º, van 1 và 2 dẫn, trong khi sau 0º, biên độ e b tăng dần lớn hơn e a, kích hoạt van 3 cho đến 120º, lúc này van 1 ngưng dẫn, còn van 2 và 3 tiếp tục dẫn Tại 60º, e a lớn hơn e c, dẫn đến việc van 2 ngắt và van 4 được kích hoạt Từ 120º đến 240º, e c lớn hơn e b, van 3 ngắt và van 5 được kích hoạt cho đến 240º Trong giai đoạn này, van 4 dẫn đến 180º, cho thấy van 4 và van 5 cùng hoạt động từ 120º đến 180º Tại 180º, van 4 ngưng dẫn và van 6 được kích hoạt, dẫn đến góc 300º Cuối cùng, tại 240º, van 5 ngắt, kết thúc một chu kỳ.
Trong mỗi chu kỳ, mỗi van dẫn hoạt động trong khoảng 120º Hình 2.2c minh họa dòng điện pha a của nguồn xoay chiều trong cuộn dây kết nối với máy biến áp Điện áp DC trung bình được xác định từ điện áp tức thời DC toàn cầu giữa cathode của hàng van trên và anode của hàng van dưới, bao gồm phân đoạn góc dẫn 60º Do đó, điện áp DC trung bình được tính bằng tổng các giá trị tức thời trong góc dẫn 60º.
Vậy xem xét từ góc dẫn ωt = -60º đến 0º, được cho bởi phương trình:
Thế vào phương trình 2.2 ta được:
Với E m là trị số đỉnh của điện áp Đương nhiên ta cũng tính được điện áp hiệu dụng của pha E LN và điện áp dây hiệu dụng E LL :
Hình 2.3 Dạng sóng điện áp và dòng điện qua các van với góc kích trễ α
Gọi α là góc kích trễ tương ứng với thời gian trễ
giây, góc trễ giới hạn bằng
Khi van 3 được kích dẫn ở góc ωt = α thay vì ωt = 0º, van 4 sẽ hoạt động tại ωt = α + 60º, và van 5 sẽ được kích ở ωt = α + 120º, tiếp tục theo quy luật này như mô tả trong hình 2.3 Điện áp trung bình V d sẽ thay đổi khi có góc kích trễ α.
Trong khi α có thể thay đổi từ 0° đến 180°, cosα thay đổi từ 1 đến -1 Do đó,
V d có thể thay đổi từ V d 0 đến V d 0 V d âm ( V d < 0) tương ứng chế độ nghịch lưu
2.1.3 Mối quan hệ giữa dòng điện và pha
Khi góc kích trễ α tăng, góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện xoay chiều cũng thay đổi Điều này được minh họa qua hình 2.4 đối với pha a
Dạng sóng dòng điện xoay chiều bao gồm nhiều xung hình chữ nhật tương ứng với dòng điện qua các van 1 và 4
Dòng điện một chiều I d là hằng số, trong khi mỗi van dẫn chỉ dẫn 120° trong một chu kỳ Dòng xoay chiều của đường dây tạo ra xung hình chữ nhật với biên độ I d và góc dẫn 120°.
Với giả thiết rằng không có sự chồng chập chuyển mạch, dạng sóng của dòng xoay chiều dây độc lập với α
Sự thay đổi góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện theo góc kích trễ α được thể hiện qua hình 2.4, trong đó điện áp pha a đến trung tính được ký hiệu là E a, và dòng điện tương ứng là i a, với I a 1 là vectơ dòng điện thành phần cơ bản.
Các thành phần cơ bản của dòng điện xoay chiều có thể được xác định bằng cách phân tích Fourier của dạng sóng dòng điện thể hiện bởi hình 2.5
Hình 2.5 Dạng sóng dòng điện Trị số đỉnh của thành phần tần số của dòng điện xoay chiều đường dây:
Trị số hiệu dụng của dòng điện của thành phần dòng điện cơ bản:
Bỏ qua tổn thất trong bộ biến đổi, công suất phía xoay chiều phải bằng công suất phía một chiều:
Thay vào phương trình (2.3.2) và (2.5.2) ta được:
Bộ biến đổi là thiết bị chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều hoặc ngược lại, với tỷ số dòng điện giữ nguyên trong khi tỷ số điện áp thay đổi theo góc kích.
2.1.4 Ảnh hưởng của góc chồng chập chuyển mạch
Do điện cảm L c của nguồn điện xoay chiều, dòng điện trong các pha có sự thay đổi tức thời Sự chuyển tiếp giữa các pha yêu cầu một khoảng thời gian nhất định, được gọi là thời gian chuyển mạch hay thời gian chồng chập mạch Góc chuyển mạch, hay góc chồng chập, được ký hiệu là μ.
Trong quá trình vận hành bình thường, góc chồng chập nhỏ hơn 60°, với trị số tiêu biểu lúc đầy tải nằm trong giới hạn 15° đến 25° Khi góc 0° < μ < 60°, có ba van dẫn đồng thời trong thời gian chuyển mạch, nhưng giữa các lần chuyển mạch chỉ có hai van dẫn Mỗi lần chuyển mạch bắt đầu ở góc 60° và kéo dài một góc μ, do đó, góc khi hai van dẫn điện với góc kích trễ α = 0° là 60° - μ Trong mỗi giai đoạn chuyển mạch, dòng điện trong các van dẫn được tăng từ 0 đến giá trị tối đa.
I d , trong khi dòng điện trong van sắp ngưng dẫn sẽ giảm từ I d về 0 Sự chuyển mạch bắt đầu khi ωt = α + μ = δ, δ gọi là góc tắt, thể hiện ở hình 2.6
Hình 2.6 Ảnh hưởng của góc chồng chập trong chu kỳ dẫn của van
Trong chế độ bình thường, khi góc μ nhỏ hơn 60°, hoạt động của van 3 và van 4 không được dẫn Tại thời điểm bắt đầu chuyển mạch, ta có ωt = α + μ = δ, với i1 bằng Id và i3 bằng 0.
Tại thời điểm kết thúc chuyển mạch: ωt = α + μ = δ, i 3 I d và i 1 0
Phân tích ảnh hưởng của góc chồng chập xảy ra ở van 1 và 3 Ở hình 2.7 cho thấy thời gian dẫn của van
Hình 2.7 Thời gian (góc) dẫn của van với góc kích trễ
Hình 2.8 Mạch tương đương trong thời gian chuyển mạch
Lưu ý: Các van không dẫn không được thể hiện trên hình vẽ
Trong quá trình chuyển mạch, các van 1, 2 và 3 hoạt động như mô tả trong hình 2.8 Hình vẽ cho thấy rằng vòng lặp chứa van 1 và 3, từ đó ta có thể rút ra các thông số cần thiết.
Khi này, điện áp e b e a được gọi là “điện áp chuyển mạch”, từ phương trình (2.2) ta có:
Trong khi đó: i 1 I d i 3 dt di dt di 1 3
Lấy tích phân hai vế theo t, tương ứng trong thời gian chuyển mạch với giới hạn trên và dưới, ωt = α hoặc t = α/ω
Cân bằng phương trình trên ta được:
Sự suy giảm điện áp do góc chồng chập chuyển mạch:
Hình 2.9 Dòng điện van trong chuyển mạch liên quan đến điện áp chuyển mạch
Trong hình 2.9 cho thấy dòng điện trong thời gian chuyển mạch là một phân đoạn của dòng điện hình sin và có giá trị đỉnh là
2 Dạng sóng của đoạn này là một hàm của góc điều khiển α Do đó, góc điều khiển phù thuộc vào I d , L c và α
Trong suốt quá trình chuyển mạch: dt
Hình 2.10 Dạng sóng điện áp ảnh hưởng của sự chồng chập mạch từ van 1 đến van 3
Do sự chồng chập, điện áp ở thiết bị cuối PtP (thể hiện trong hình 2.8), ngay sau khi ωt = α để đạt được
2 a a e e thay vì e b Vì vậy, như thể hiện trong hình
2.10, ảnh hưởng của sự chồng chập được đo bởi trừ đi vùng điện áp A từ A 0 , cho mỗi góc 60° (π/3 rad)
Tương ứng điện áp trung bình (do chồng chập) được cho bởi:
Khi V d 0 là điện áp không tải lý tưởng từ phương trình (2.3) và từ phương trình (2.7) dòng điện i 3 suốt quá chuyển mạch được cho bởi:
Tại thời điểm kết thúc chuyển mạch: ωt = δ, i 3 I d
Thế vào phương trình (2.8) ta được: c d d I L
Bộ biến đổi nhiều cầu
Hai hay nhiều cầu được mắc nối tiếp để có được điện áp DC cao theo yêu cầu
Bộ cầu được nối tiếp trong mạch DC và song song trong mạch AC, với bộ máy biến áp được kết nối giữa nguồn xoay chiều và các cầu van, cho phép điều chỉnh tỉ số biến áp dưới tải Trong thực tế, bộ biến đổi nhiều cầu thường bao gồm một số lượng chẵn các cầu được sắp xếp thành từng đôi, tạo ra cấu trúc 12 xung như hình 2.15.
Hai bộ máy biến áp, một mắc Y-Y và một mắc Y-∆, được sử dụng để cung cấp điện cho mỗi đôi cầu Điện áp 3 pha cho cầu có độ lệch 30º so với cầu còn lại Dạng sóng xoay chiều của dòng điện tại hai cầu gần giống với sóng sin hơn so với cầu.
Trong cách sắp xếp cầu 12 xung, sóng họa tần bậc 6 và 7 gần như bị triệt tiêu ở phía xoay chiều, dẫn đến việc giảm đáng kể hiệu suất của bộ lọc họa tần.
Hình 2.15 Bộ biến đổi cầu 12 xung Đối với cầu 6 xung biến áp nối Y-Y qua khai triển chuỗi Fourier cho dòng điện xoay chiều là:
(2.28) Đối với bộ máy biến áp mắc Y-∆, thì dòng là:
Trong cầu áp 12 xung, sự kết hợp giữa 2 cầu áp 6 xung với biến áp kết nối Y-Y và Y-∆ giúp loại bỏ các sóng hài bậc lẻ n.
Những sóng còn lại có thứ tự 12n ± l (11, 13, 23, 25, v.v ) chảy vào hệ thống
AC Độ lớn của chúng giảm theo thứ tự tăng dần
Bộ cầu 12 xung giúp làm mượt sóng điện áp một chiều, giảm thiểu hiện tượng gợn sóng và loại bỏ các họa tần bậc 6 và 18 phía một chiều.
Có thể lắp đặt các bộ cầu với số xung cao hơn, chẳng hạn như 4 bộ cầu 24 xung với góc lệch pha 15º, 8 bộ cầu 48 xung với góc lệch 7º5, cùng với các kết nối biến áp phức tạp hơn Tuy nhiên, thông thường, người ta vẫn sử dụng 12 xung.
Hình 2.16 Dạng sóng điện áp DC và dòng điện AC cầu 6 xung và 12 xung
B: số cầu mắc nối tiếp
Hình 2.17 Tỷ số máy biến áp 1:T Điện áp không tải lý tưởng tương ứng với phương trình (2.31) là:
Vì sụt áp trên mỗi cầu bằng
và bộ cầu nối tiếp nên điện áp một chiều cho bởi:
Cosα = - cosβ và Cosγ = - cosδ (2.34) Điện áp DC được tính theo hệ số công suất cho bởi phương trình (2.23.1):
Trong trường hợp đa cầu, điện áp DC của cầu 12 xung gấp đôi điện áp của cầu 6 xung, được thể hiện qua phương trình (2.31) Trị số hiệu dụng của thành phần tần số cơ bản của dòng điện xoay chiều toàn phần tương ứng với phương trình (2.21) là một yếu tố quan trọng cần lưu ý.
Mô hình hóa hệ thống HVDC
Để mô hình hóa hoạt động của hệ thống HVDC trong cả chế độ ổn định và quá độ, cần mô tả các thành phần chính của hệ thống.
- Mô hình bộ biến đổi
- Mô hình hệ thống hay đường dây DC
- Giao tiếp giữa hệ thống AC và DC
- Mô hình điều khiển hệ thống DC
Một số giả thiết được đặt ra sau đây để việc mô hình hóa đơn giản:
- Dòng điện một chiều trên dây là phẳng (do có cuộn kháng điện)
Điện áp hệ thống AC tại đầu chỉnh lưu và nghịch lưu là tín hiệu hình sin hoàn toàn với tần số ổn định, giá trị hiệu dụng và tổng trở nguồn ba pha cân bằng Điều này có nghĩa là các họa tần dòng điện và điện áp do bộ biến đổi tạo ra sẽ không được truyền vào hệ thống AC, nhờ vào việc đã được lọc bởi bộ lọc AC.
- Máy biến áp cho bộ biến đổi không bị bão hòa từ
Các công thức cơ bản của bộ biến đổi được tóm tắt như sau:
= P tangφ Với: E ac – Điện áp hiệu dụng dây phía hệ thống của máy biến áp biến đổi
T – Tỉ số cuộn dây máy biến áp
B – Số lượng cầu nối tiếp trong mạch
P, Q – Công suất tác dụng và phản kháng
Xc = Lc – điện kháng đảo mạch của mỗi cầu / pha
V d và I d – dòng và áp một chiều trên mỗi cực
Xét một hệ thống HVDC đơn giản và mạch tương đương của nó như hình vẽ 2.18 như sau:
Hình 2.18 Sơ đồ và mạch tương đương của hệ thống HVDC đơn giản
Theo phương trình (2.34), trong một đường dây DC với hai đầu, mối quan hệ giữa điện áp đầu chỉnh lưu và nghịch lưu phụ thuộc vào điện trở đường dây R L.
Trong bài toán tính trào lưu công suất AC/DC các phương trình của hệ thống
Trong mỗi bước lặp, AC và DC sẽ được tính toán một cách độc lập Điều này cho phép các chương trình tính toán trào lưu công suất hiện có được sử dụng mà không cần thay đổi hay bổ sung gì đặc biệt Giải thuật tính toán trào lưu công suất cho hệ thống AC/DC có những đặc trưng riêng biệt.
Trong từng bước lặp của bài toán, mỗi bộ biến đổi sẽ được mô hình hóa như một nguồn công suất (P, Q) cung cấp năng lượng vào nút liên kết của hệ thống, cụ thể là nút kết nối với máy biến áp.
- Từ những giá trị P, Q của các nút này, tính toán bài toán trào lưu công suất
Phương pháp AC, tương tự như các phương pháp truyền thống, được sử dụng để xác định giá trị điện áp tại các nút liên kết Giá trị điện áp này, thu được từ các phép tính lặp của bài toán AC, sau đó được áp dụng để giải quyết các phương trình DC tiếp theo.
Từ các phương trình DC, chúng ta có thể xác định các giá trị P và Q mới để bơm vào nút liên kết, và quá trình này sẽ tiếp tục cho đến khi đạt được sự hội tụ.
Hình 2.19 Giao tiếp giữa hệ thống AC - DC
Sự liên kết giữa các phương trình AC và DC được minh họa trong hình 2.19 Các giá trị điện áp Eacr và Eaci đóng vai trò là đầu vào cho các phương trình DC, và chúng được xác định thông qua bước lặp tiếp theo trong quá trình giải các phương trình AC.
Các trạng thái P r , Q r , P i , Q i được xem như là đầu ra của các phương trình DC, chúng được dùng cho bước lặp kế tiếp để giải các phương trình AC
Các biến điều khiển như α, γ và I ord được xác định bởi chế độ vận hành và điều khiển của hệ thống Tất cả các biến độc lập và phụ thuộc trong các phương trình DC đều chịu ảnh hưởng từ chế độ điều khiển của trạm chỉnh lưu và nghịch lưu Trong các trạng thái vận hành ổn định, có ba chế độ vận hành có thể áp dụng.
- Chế độ vận hành 1: Bộ chỉnh lưu hoạt động và đặc tính điều khiển dòng hằng số còn nghịch lưu hoạt động với góc tắt hằng số
- Chế độ vận hành 2: Bộ chỉnh lưu hoạt động với điều khiển dòng hằng số còn chỉnh lưu hoạt động với góc kích bé nhất hằng số
- Chế độ vận hành 3: Chỉnh lưu hoạt động ở chế độ góc kích bé nhất hằng số, nghịch lưu hoạt động ở các đặc tính bổ sung
Hình 2.20 Các chế độ vận hành ở trạng thái xác lập ổn định
Hình 2.21 Đường đặc tính của chế độ vận hành 1
Trong chế độ vận hành, bộ chỉnh lưu hoạt động với điều khiển dòng hằng số, trong khi nghịch lưu hoạt động ở chế độ góc tắt hằng số Do đó, các yêu cầu vận hành cần được đảm bảo để hệ thống hoạt động hiệu quả.
- Góc kích của các bộ nghịch lưu được điều chỉnh để có min
- Góc kích của các bộ chỉnh lưu được điều chỉnh để có I d I ord
- Đầu phân áp máy biến áp phía chỉnh lưu được điều chỉnh để có góc trong một dãy mong muốn
- Đầu phân áp máy biến áp phía nghịch lưu được điều chỉnh để có điện áp một chiều mong muốn
Từ những yêu cầu vận hành trên các phương trình quan hệ tại đầu nghịch lưu sẽ được biểu diễn như sau:
Vdi= Vd0r( cos min )- XcrBrIord (2.38)
Do giá trị min và I ord được yêu cầu, điện áp Eaci cũng được lấy từ bước lặp trước của bài toán AC Vì vậy, các giá trị Pi, Qi và Vdi có thể được tính toán dễ dàng từ các phương trình đã cho Đầu phân áp của máy biến áp tại đầu nghịch lưu được điều chỉnh để đạt được điện áp V di mong muốn, càng gần định mức càng tốt.
Các phương trình cho phía chỉnh lưu:
Từ các giá trị đã xác định, Pr và Qr có thể được tính toán tương tự như ở phía nghịch lưu Cần lưu ý rằng bộ phân áp của máy biến áp cần được điều chỉnh để đạt giá trị trong khoảng mong muốn.
Trong chế độ vận hành 2, phía nghịch lưu điều khiển dòng hằng số (CC) trong khi phía chỉnh lưu điều khiển góc kích hằng số nhỏ nhất (CIA).
- Góc kích ở chỉnh lưu min
- Góc kích tại nghịch lưu được điều chỉnh sao cho có Id= Iord - Im
- Đầu phân áp của máy biến áp nghịch lưu được điều chỉnh để > min và công suất phản kháng tiêu thụ là ít nhất
Với giá trị dòng điện được giữ cố định Id = Iord - Im, các phương trình phía chỉnh lưu là:
Và phương trình nghịch lưu là:
Vdi= Vdr- RL(Iord - Im) (2.53)
Qi= Pitangi (2.58) Đầu phân áp phía nghịch lưu có thể được điều chỉnh để đảm bảo giá trị > min và công suất phản kháng tiêu thụ là ít nhất
Hình 2.23 Đường đặc tính của chế độ vận hành 3
Trong hệ thống HVDC, phía chỉnh lưu điều khiển góc kích nhỏ nhất (CIA) và nghịch lưu điều khiển theo đặc tính bổ sung khác Thông thường, hệ thống hoạt động ở chế độ 1 hoặc chế độ 2 trong các chế độ vận hành bình thường và nghiên cứu phân bố công suất Tuy nhiên, để đảm bảo ổn định hệ thống, cần chú ý đến khoảng chuyển dịch giữa hai chế độ khi trạng thái hệ thống thay đổi Do đó, chế độ vận hành thứ 3, tức chế độ trung gian, cũng cần được xem xét khi chuyển đổi giữa chế độ 1 và chế độ 2.
Trong đó đặc tính điều khiển bổ sung thường dùng nhất là điều khiển góc kích sớm hằng số Trong chế độ 3, ta có:
- Góc kích trễ tại chỉnh lưu = min
- Góc kích sớm tại nghịch lưu = c
Dòng điện một chiều Im bằng với Iord và có sự biến đổi trong khoảng Iord > Id > (Iord - Im) Các phương trình DC được xác định dựa trên dòng điện trong đường dây như sau:
Thay thế và biến đổi, ta tìm được giá trị dòng Id theo min , c , V d 0 r , V d 0 i :
Những tác động ảnh hưởng lẫn nhau của hệ thống AC/DC
2.4.1 Tỉ số ngắn mạch hệ thống
Tác động tự nhiên của hệ thống AC/DC phụ thuộc vào "độ mạnh của hệ thống AC" so với khả năng của đường dây DC Hệ thống AC được coi là "yếu" khi tổng trở hệ thống lớn và quán tính của hệ thống cơ thấp.
Tỉ số ngắn mạch của hệ thống (SCR) là một giá trị đo lường được để biểu thị cho cường độ này Nó được định nghĩa như sau:
Trong đó công suất ngắn mạch (MVA) của hệ thống AC, tính bởi: th
Với: Eac- điện áp đảo mạch tại công suất DC định mức
Zth- tổng trở tương đương Thevenin của hệ thông AC
Giá trị SCR cơ bản phản ánh cường độ vốn có của hệ thống AC, nhưng để hiểu rõ hơn từ góc độ hoạt động của hệ thống HVDC, cần xem xét tỷ số ngắn mạch hiệu quả (ESCR) với các yếu tố ảnh hưởng từ thiết bị AC của trạm HVDC như bộ lọc, tụ bù tĩnh, và bù đồng bộ Thông thường, độ mạnh của hệ thống AC được phân chia theo các mức khác nhau.
- Mạnh, nếu như ESCR lớn hơn 5
- Vừa phải, nếu như ESCR giữa 3 và 5
- Thấp, nếu như ESCR nhỏ hơn 3
Với nguyên tắc điều khiển tốt hơn có thể phân loại cường độ hệ thống AC:
- Mạnh, nếu như ESCR lớn hơn 3
- Vừa phải, nếu như ESCR giữa 2 và 3
- Thấp, nếu như ESCR nhỏ hơn 2
Những phân loại về cường độ hệ thống AC trên là một cách định lượng sơ bộ vấn đề tương tác AC/DC có thể có
2.4.2 Công suất phản kháng và cường độ của hệ thống AC
Từ phương trình (2.10), V d V d 0 cos R c I d , hệ số công suất được tính bởi: d d c d d c
Mỗi bộ biến đổi sẽ làm tăng tiêu thụ công suất phản kháng khi công suất truyền tải gia tăng Thông thường, góc kích trễ và góc tắt sớm tại nghịch lưu dao động từ 15° đến 20°, với điện áp đảo mạch Xc khoảng 15% Khi đó, một bộ biến đổi tiêu thụ khoảng 50 đến 60% lượng công suất phản kháng, tương ứng với Pd 1.0pu, thì Q thu vào tại mỗi biến đổi là 0.5 đến 0.6pu Để đáp ứng lượng công suất phản kháng này, các tụ điện sẽ kết hợp với các nhóm lọc họa tần.
Cách tiết kiệm nhất để cung cấp công suất phản kháng cho trạm HVDC là sử dụng các bộ nối shunt Lượng công suất phản kháng tiêu thụ phụ thuộc vào công suất truyền tải trên đường dây DC, do đó các tụ điện cần có dung lượng phù hợp và được điều khiển bằng các khóa đóng cắt để duy trì điện áp tại nút AC trong khoảng chấp nhận được (thường là ± 5%) ở tất cả các mức tải Sự ảnh hưởng của cường độ hệ thống AC cũng rất quan trọng; hệ thống AC mạnh hơn yêu cầu dung lượng của các nhóm điều khiển lớn hơn để đáp ứng sự thay đổi điện áp trong khoảng chấp nhận.
AC yếu cần thiết phải cung cấp công suất phản kháng bằng các bộ SVC hay máy bù đồng bộ
2.4.3 Những vấn đề của hệ thống có giá trị ESRC nhỏ
Vài vấn đề gặp phải của hệ thống AC kết nối yếu:
- Mất ổn định điện áp
- Cộng hưởng họa tần bậc cao
- Dao động thoáng qua của điện áp
Khi xảy ra ngưng truyền công suất DC, công suất phản kháng tiêu thụ của các biến đổi HVDC giảm xuống còn không Trong hệ thống có ESCR thấp, điện áp xoay chiều sẽ tăng lên do có sự dư thừa công suất phản kháng từ tụ bù và bộ lọc họa tần Tình trạng này yêu cầu các thiết bị trong hệ thống phải có mức cách điện cao, dẫn đến chi phí tăng đáng kể và có thể gây ra sự cố cho thiết bị của khách hàng.
2.4.3.2 Mất ổn định điện áp Đối với một hệ thống DC nối với hệ thống AC yếu, đặc biệt là phía nghịch lưu thì cả điện áp xoay chiều lẫn một chiều đều rất nhạy cảm với sự biến đổi của tải Một sự gia tăng điện áp một chiều đi kèm với một sự cố của điện áp xoay chiều, hậu quả là sự gia tăng công suất thực tế nhỏ hay có thể bỏ qua Điều khiển điện áp và phục hồi sau nhiễu loạn trở nên khó khăn Đáp ứng của hệ thống DC cũng lại góp phần làm sụp đổ hệ thống AC, độ nhạy cảm càng tăng nếu như số lượng tù bù nối vào càng lớn
Ở những điện áp này, hệ thống DC có thể gây mất ổn định điện do phản ứng làm giảm điện áp xoay chiều vì một số lý do nhất định.
- Điều khiển công suất làm tăng dòng một chiều lên
- Góc tắt sớm ở nghịch lưu có thể tăng lên để giữ biên giới mạch volt – giây
Bộ nghịch lưu tiêu thụ một lượng lớn công suất phản kháng, dẫn đến hiện tượng sụt áp Sự sụt áp này làm cho các tụ bù cung cấp ít công suất phản kháng hơn, từ đó gây ra tình trạng mất ổn định trong hệ thống.
- Điện áp xoay chiều bị giảm và cứ thế làm trầm trọng thêm tình hình Hậu quả là sụp đổ điện áp sẽ xảy ra
Các vấn đề cộng hưởng họa tần bậc cao chủ yếu xuất phát từ cộng hưởng song song giữa tụ bù, bộ lọc họa tần và hệ thống AC ở tần số thấp Tụ điện làm giảm tần số cộng hưởng tự nhiên của hệ thống AC, trong khi các thành phần cảm kháng lại làm tăng tần số này Việc bổ sung dung kháng lớn có thể làm giảm tần số cộng hưởng tự nhiên xuống bậc 4, bậc 3 và thậm chí bậc 2 Nếu cộng hưởng xảy ra tại những tần số này, sẽ xuất hiện cộng hưởng song song với tổng trở cao giữa các thành phần cảm và dung Ngoài ra, một trạng thái cộng hưởng nối tiếp tần số thấp có thể xảy ra ở vị trí xa trong hệ thống, dẫn đến việc điện áp từ các điểm này bị khuếch đại Do đó, cần tránh những tình trạng cộng hưởng tần số thấp, đặc biệt là hiện tượng quá áp quá độ.
2.4.3.4 Dao động bất thường điện áp
Hệ thống AC yếu có đặc điểm là việc đóng cắt các tụ bù và cuộn kháng, dẫn đến sự biến động điện áp lớn tại các khu vực gần thiết bị bù Những dao động điện áp quá độ thường xảy ra do các thiết bị kháng điện hoạt động liên tục, gây ra sự gia tăng không mong muốn trong hệ thống.
2.4.3.5 Các giải pháp cho các vấn đề này
Giải pháp truyền thống cho vấn đề tương tác giữa hệ thống AC/DC và phía AC yếu là sử dụng máy bù đồng bộ hoặc SVC Ngoài ra, việc điều khiển HVDC cho phép điều chỉnh dòng một chiều, giúp giảm tần số khi điện áp xoay chiều giảm thấp, từ đó cải thiện tình trạng hệ thống.
Việc sử dụng máy bù đồng bộ giúp giảm tổng trở của hệ thống, từ đó nâng cao tần số cộng hưởng song song đến các giá trị cao hơn, nơi mà sự tắt dần của hệ thống được cải thiện Do đó, với mạch cầu 12 nhịp và không có bộ lọc nhỏ hơn bậc 11, xác suất xảy ra kích thích cộng hưởng song song tại các mức họa tần này là rất thấp.
Một giải pháp hiệu quả là điều khiển bộ biến đổi DC để điều chỉnh công suất phản kháng, tương tự như SVC, nhằm thích ứng với biến động điện áp Tụ bù ngang và bộ lọc sẽ cung cấp công suất phản kháng cần thiết, trong khi bộ chuyển đổi sẽ duy trì ổn định điện áp AC thông qua việc điều khiển góc kích α.
