Tổng quan về truyền tải điện năng một chiều HVDC
HVDC, viết tắt của truyền tải điện năng cao áp một chiều, là một phương pháp hiệu quả để truyền tải lượng lớn điện năng DC qua khoảng cách xa Nó còn được gọi là đường điện cao tốc hoặc dòng điện siêu cao áp, sử dụng các đường dây trên không, cáp ngầm đất hoặc cáp ngầm dưới biển.
Hệ thống truyền tải điện năng HVDC được sử dụng để kết nối các mạng điện riêng biệt có đặc tính và tần số khác nhau khi không thể truyền tải AC HVDC có nhiều lợi thế so với HVAC, điều này giải thích tại sao nó trở nên phổ biến hơn trong các hệ thống truyền tải điện hiện nay.
1.2 Hệ thống truyền tải điện năng một chiều HVDC hoạt động như thế nào?
Khi thiết lập trạm biến áp, nguồn AC có thể được chuyển đổi thành DC thông qua bộ chỉnh lưu Trong trạm biến áp HVDC, bộ chỉnh lưu và bộ biến tần được lắp đặt ở cả hai đầu của đường dây, giúp thay đổi dòng điện hiệu quả.
AC được chuyển đổi thành DC, trong khi biến tần chuyển đổi DC trở lại thành AC Điện áp DC được truyền tải qua các đường dây trên không và được chuyển đổi thành AC tại trạm biến áp thông qua các bộ biến tần Công suất được duy trì không đổi ở cả đầu phát và đầu nhận của đường dây Việc truyền tải nguồn DC qua khoảng cách xa giúp giảm tổn thất và nâng cao hiệu quả.
Một hệ thống truyền tải điện năng DC điểm-điểm bao gồm hơn hai trạm chuyển đổi và một đường truyền Trong khi đó, nếu trạm biến áp có nhiều hơn hai trạm chuyển đổi và các đường dây DC liên kết với nhau, hệ thống đó được gọi là trạm truyền tải điện năng DC đa chiều.
Năng lượng điện được sản xuất và sử dụng dưới dạng điện xoay chiều (AC), yêu cầu các bộ chuyển đổi ở cả hai đầu đường truyền Bộ chỉnh lưu chuyển đổi AC thành DC trong quá trình truyền tải, trong khi biến tần chuyển đổi DC trở lại thành AC tại đầu nhận Các bộ chuyển đổi này thường có kích thước lớn và được đặt trong một tòa nhà riêng biệt gọi là hội trường van, nơi chứa các van của bộ biến tần tĩnh trong hệ thống truyền tải điện năng cao áp DC.
Trong hệ thống HVDC, thyristor hoạt động như công tắc điện tử công suất trong các bộ chuyển đổi dòng chuyển mạch Bộ chuyển đổi bản cực thyristor bao gồm các van thyristor được nhóm theo cặp, với mỗi bộ chuyển đổi có sáu hoặc mười hai van Trước đây, các bộ chuyển đổi này cần điện áp từ hệ thống AC để hoạt động Tuy nhiên, với sự ra đời của bộ chuyển đổi nguồn điện áp, IGBT đã được sử dụng thay cho thyristor, cho phép bộ chuyển đổi hoạt động mà không cần điện áp xoay chiều để kết nối.
Trạm biến áp đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi điện áp xoay chiều thành cấp điện áp phù hợp cho hệ thống truyền tải điện một chiều, đồng thời tham gia vào điện kháng chuyển mạch Các máy biến áp có thể có nhiều cấu hình khác nhau, phổ biến nhất là loại ba pha hoặc tổ hợp ba máy biến áp một pha Kết nối phía thứ cấp thường được thực hiện theo hình sao và tam giác, trong khi phía sơ cấp được nối sao và liên kết song song.
Hình 1.3: Máy biến áp chuyển đổi
Máy biến áp cho bộ biến đổi có khe hở cách điện lớn hơn máy biến áp thông thường, được thiết kế để chịu điện áp một chiều và giảm thiểu tổn hao dòng điện xoáy do sóng hài Trong quá trình vận hành, các pha không làm việc đồng thời mà luân phiên theo các dương cực của bộ biến đổi, dẫn đến tình trạng không đối xứng Do đó, cần chọn sơ đồ nối dây phù hợp để đảm bảo từ hóa bình thường cho các trụ lõi thép và giảm thiểu sự đập mạch của điện áp và dòng điện chỉnh lưu Điều áp dưới tải của máy biến áp khi điện áp xoay chiều thay đổi giúp giảm công suất phản kháng cung cấp cho bộ biến đổi.
Các bộ chuyển đổi sử dụng công tắc điện tử công suất tạo ra sóng hài khi bật mở điện ở cả hai đầu đường truyền Những sóng hài này được truyền đến hệ thống AC, gây ra hiện tượng quá nhiệt cho thiết bị Để giảm thiểu hoặc loại bỏ sóng hài, cần sử dụng các bộ lọc Các bộ lọc này được áp dụng ở cả phía AC và DC trong hệ thống.
Bộ lọc AC, hay còn gọi là bộ lọc cho hệ thống xoay chiều, và bộ lọc DC được sử dụng cho hệ thống một chiều, đều bao gồm các chuỗi kết hợp của tụ điện và cuộn cảm Chúng được thiết kế để loại bỏ các tần số hài không mong muốn, giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống điện.
Bộ lọc AC cung cấp trở kháng thấp và các thành phần thụ động được sử dụng Bộ lọc
AC cung cấp công suất phản kháng thiết yếu cho bộ chuyển đổi, trong khi các bộ lọc DC có kích thước nhỏ gọn và chi phí thấp hơn so với bộ lọc AC Hơn nữa, cường độ sóng hài trong các bộ biến đổi nguồn điện áp thường thấp hơn so với các bộ biến đổi chuyển mạch.
Cuộn san dòng được kết nối nối tiếp với bộ chuyển đổi DC, giúp làm cho dòng gợn sóng tự do và giảm sóng hài trong hệ thống DC Ngoài ra, cuộn san dòng còn đóng vai trò bảo vệ bằng cách hạn chế dòng sự cố, có thể được kết nối ở dây nóng hoặc trung tính.
Các cuộn san dòng giúp điều chỉnh dòng điện một chiều, đặc biệt khi có sự thay đổi đột ngột Chúng cho phép dòng điện một chiều duy trì ở giá trị cố định, từ đó giảm xung đột trên van chuyển.
11 tác động môi trường thấp hơn AC Do các đường truyền nhỏ hơn nhiều và cần ít không gian hơn cho cùng công suất.
Một trong những điểm khác biệt quan trọng giữa HVDC và AC là khả năng kiểm soát chính xác công suất truyền tải trên đường dây HVDC, điều mà dòng điện AC không thể thực hiện một cách trực tiếp Khả năng điều khiển này của HVDC thường được áp dụng để cải thiện điều kiện hoạt động của mạng AC, đặc biệt là tại các trạm chuyển đổi.
Hệ thống mạch lực và mạch điều khiển
TRONG TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG MỘT CHIỀU HVDC
Bộ biến đổi có khả năng chuyển đổi giữa AC và DC, đồng thời điều chỉnh dòng công suất qua hệ thống HVDC Các thành phần chính bao gồm cầu van điện tử và máy biến áp biến đổi.
- Van trong bộ biến đổi là khóa điện tử có điều khiển, cho phép dẫn điện theo một chiều từ anod sang cathode.
Phần tử cơ bản của bộ biến đổi HVDC là mạch cầu ba pha toàn sóng, với máy biến áp đổi điện có đầu phân áp dưới tải Cuộn dây phía xoay chiều được mắc Y nối đất, trong khi cuộn dây phía van được mắc A hoặc Y không nối đất Mạch cầu toàn sóng ba pha được sử dụng phổ biến trong bộ biến đổi HVDC nhờ vào sự tương thích tốt với máy biến áp biến đổi và điện áp ngược thấp khi ngừng dẫn Điện áp ngược là yếu tố quan trọng trong việc chọn các thông số định mức của van.
2.1.1 b.Mạch cầu toàn sóng ba pha
Hệ thống xoay chiều bao gồm máy biến áp, được mô phỏng bằng một nguồn áp lý tưởng có điện áp và tần số không đổi, kết nối với điện kháng tản của máy biến áp.
-Dòng một chiều l d không đổi và không gợn sóng do có cuộn kháng lọc L d làm bằng phẳng đặt về phía DC.
-Các van điện là khóa lý tưởng có điện trở bằng không khi dẫn và bằng vô cùng khi ngưng.
- Điện áp pha của nguồn điện áp: e a = E m cos(rnt + 60 o ) e b = E m cos(rnt - 60 o ) e c = E m cos(rnt - 180 o )
-Điện áp dây: e a c = e a - e c = V3 E m cos(rnt + 30 o )
2.2.1.Nguyên lý cơ bản của điều khiển
Hệ thống truyền tải điện năng một chiều HVDC có khả năng điều khiển tốt, nhờ vào việc áp dụng hệ thống điều khiển hiệu quả, giúp đảm bảo hoạt động ổn định và mong muốn cho hệ thống điện.
Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý,mạch tương đương,trắc điện áp của mạch điều khiển
Dòng điện một chiều đi từ chỉnh lưu đến nghịch lưu:
Công suất ở đầu chỉnh lưu:
Công suất ở đầu nghịch lưu:
Điện áp và dòng điện trên đường dây có thể được điều khiển thông qua việc điều chỉnh điện áp nội v dr cos K và v di cos V Phương pháp này bao gồm việc điều chỉnh góc kích các van và thay đổi đầu phân áp của máy biến áp Việc điều khiển kích cổng với tốc độ nhanh từ 1ms đến 10ms kết hợp với thay đổi đầu phân áp chậm từ 5 đến 6 giây mỗi nấc, tạo ra sự bổ sung hiệu quả Điều khiển kích cổng diễn ra trước để đáp ứng nhanh chóng, sau đó là thay đổi đầu phân áp nhằm duy trì các đại lượng của bộ biến đổi ở mức định mức, với K cho chỉnh lưu và V cho nghịch lưu.
2.2.3 Cơ sở để lựa chọn điều khiển
Các xem xét sau đây ảnh hưởng đến sự lựa chọn các đặc tính điều khiển:
- Tránh dao động lớn về dòng điện một chiều do thay đổi điện áp trong hệ thống xoay chiều.
- Giữ điện áp một chiều gần với định mức.
- Duy trì hệ số công suất ở đầu phát và đầu nhận càng cao nếu có thể được.
Để tránh sự cố chuyển mạch trong bộ chỉnh lưu và nghịch lưu, việc điều khiển nhanh các bộ biến đổi là rất quan trọng nhằm giảm dao động lớn của dòng một chiều Điều này là yêu cầu thiết yếu cho việc vận hành hệ thống HVDC, vì thiếu sự điều khiển này sẽ làm cho hệ thống trở nên không thực tế Đối với một công suất truyền tải đã được xác định, trắc đồ điện áp một chiều dọc theo đường dây cần phải tương đối bằng phẳng và gần với trị số định mức, giúp giảm thiểu dòng một chiều và tổn thất trên đường dây.
Có nhiều lí do để duy trì hệ số công suất ở mức cao:
Để tối ưu hóa hiệu suất, cần duy trì công suất định mức của bộ biến đổi ở mức cao nhất có thể, phù hợp với dòng điện và điện áp định mức đã được chỉ định cho máy biến áp và các van.
- Giảm điện áp đặt ngược lên các van.
- Giảm thiểu tổn thất và dòng điện định mức của các thiết bị trong hệ thống xoay chiều có nối với bộ biến đổi.
- Giảm thiểu sụt áp ở các đầu xoay chiều khi phụ tải tăng.
2.2.4 Các đặc tính điều khiển
Để đáp ứng các yêu cầu cơ bản trong hệ thống HVDC, nhiệm vụ điều khiển điện áp và dòng điện được phân chia cho hai đầu của hệ thống Trong quá trình vận hành bình thường, chỉnh lưu duy trì dòng điện ổn định, trong khi nghịch lưu duy trì góc tắt ổn định trong vùng biên an toàn cho chuyển mạch Cơ sở của việc điều khiển được giải thích thông qua đặc tính xác lập V-I, với điện áp v_d và dòng điện l_d có thể đo được từ một điểm trên đường dây Đặc tính chỉnh lưu có thể điều chỉnh theo chiều ngang bằng cách kiểm soát "lệnh dòng điện" Nếu dòng điện đo được thấp hơn yêu cầu của "lệnh dòng điện", hệ thống sẽ điều chỉnh kích van sớm hơn bằng cách giảm góc kích K.
Hệ thống HVDC tại Đức cho phép điều chỉnh đặc tính nghịch lưu bằng cách thay đổi đầu phân áp của máy biến áp Bộ điều chỉnh sẽ nhanh chóng phục hồi góc X mong muốn, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.
Khi dòng điện một chiều thay đổi, bộ điều chỉnh dòng điện của chỉnh lưu giúp phục hồi dòng điện nhanh chóng Đồng thời, đầu phân áp của chỉnh lưu điều chỉnh góc K vào khoảng từ 10-20 độ Một thời gian trễ được thiết lập để ngăn chặn sự thay đổi không cần thiết của đầu phân áp do sự vượt quá độ của góc K.
Bộ chỉnh lưu duy trì dòng điện ổn định bằng cách điều chỉnh góc kích K, với điều kiện góc này không nhỏ hơn giá trị x min Khi đạt đến x min, điện áp không thể tiếp tục tăng, và bộ chỉnh lưu sẽ hoạt động ở chế độ góc kích cố định.
Bộ nghịch lưu sử dụng điều khiển góc tắt không đổi và điều khiển dòng điện, trong đó góc X được điều chỉnh khoảng 15 ° Giá trị này thể hiện sự phối hợp giữa mức tiêu thụ công suất kháng chấp nhận và khả năng xảy ra thất bại trong chuyển mạch là thấp Để duy trì góc X trong khoảng mong muốn từ 15 ° đến 20 °, điều khiển đầu phân áp được áp dụng.
Hiệu số giữa “lệnh dòng điện” của chỉnh lưu và “lệnh dòng điện” của nghịch lưu gọi là “vùng biên” dòng điện I m (khoảng 10-15% dòng định mức).
Trong vận hành bình thường, chỉnh lưu điều khiển dòng điện,nghịch lưu điều khiển điện áp một chiều.
* Kết hợp đặc tính chỉnh lưu và nghịch lưu:
Trong các hệ thống HVDC, bộ biến đổi cần hoạt động ở cả hai chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu Đặc điểm của bộ biến đổi bao gồm góc kích, dòng điện và góc tắt đều được giữ không đổi.
Khi điện áp chỉnh lưu bị sụt giảm do sự cố, nghịch lưu sẽ điều khiển dòng điện trong khi chỉnh lưu tạo ra điện áp Trong tình huống này, vai trò của chỉnh lưu và nghịch lưu trong việc kiểm soát điện áp và dòng điện bị đảo ngược, được gọi là sự đổi kiểu hoạt động.
2.2.5 Các nguyên tắc điều khiển cơ bản
Hệ thống HVDC về cơ bản được điều khiển theo dòng điện không đổi vì hai lý do quan trọng sau:
- Giới hạn quá dòng điện và giảm thiểu thiệt hại do sự cố.
- Tránh cho hệ thống ngừng hoạt động do dao động điện áp phía xoay chiều.
Do điều khiển dòng điện không đổi tác dụng nhanh mà hệ thống HVDC hoạt động rất ổn định.
Mô phỏng bộ chuyển đổi dùng cầu chỉnh lưu - nghịch lưu truyền tải điện năng một chiều HVDC
Nguyên lí hoạt động và tính toán
Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển sử dụng 6 thyristor để chuyển đổi điện áp xoay chiều 3 pha thành điện áp một chiều Bằng cách điều chỉnh thời gian đóng và mở của các thyristor, chúng ta có thể kiểm soát giá trị trung bình của điện áp đầu ra.
Theo đồ thị u d (0) ta thấy giới hạn giữa dòng gián đoạn bằng 60 0
Nếu a < 60 0 ta sẽ có điện áp chỉnh lưu nhận được là:
U da = U d0 cos a = 2,34.U 2 cos a Nếu a > 60 0 thì dòng điện sẽ gián đoạn, điện áp chỉnh lưu nhận được là:
Mô phỏng cầu chỉnh lưu
Hình 3.3: Sơ đồ mô phỏng cầu chỉnh lưu
Sơ đồ và kết quả mô phỏng cầu nghịch lưu
3.3.1 Nguyên lí hoạt động và tính toán
Các điôt: D1, D2, D3, D4, D5, D6 làm chức năng trả năng lượng về nguồn Tụ C đảm bảo nguồn là nguồn áp và để tiếp nhận năng lượng phản kháng từ tải.
T1 và T4 dẫn điện lệch nhau 180 0 và tạo ra pha A;
T2 và T5 dẫn điện lệch nhau 180 và tạo ra pha C
Hình 3.4: Sơ đồ mạch và nguyên lí hoạt động nghịch lưu độc lập áp 3 pha
Từ sơ đồ thay thế ta thấy UZA = UZC = E/3; UZB = -2E/3
- Trong khoảng t1 ^ t2: T1, T2, T6 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như ở hình 4.11b: UZA = 2E/3; UZB = UZC = -E/3.
- Trong khoảng t2 ^ t3: T1, T2, T3 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như ở hình 4.11c: UZA = UZB = E/3; UZC = -2E/3.
Suy ra dạng điện áp rên các pha: UZA, UZB, UZC sẽ có dạng như trên hình t r , , ,, TT V2
4.10d, e, f Giá trị hiệu dụng của điện áp pha là: U pha = -^- E
Hình 3.5: Sơ đồ mô phỏng cầu chỉnh lưu
- Kết quả : Điện áp đầu vào Điện áp đầu ra
Hệ thống truyền dẫn điện hiện nay đang trở nên phức tạp hơn bao giờ hết, với nhu cầu cung cấp điện đáng tin cậy ngày càng tăng Để đáp ứng yêu cầu này, việc tích hợp các thành phần công suất có thể điều khiển được, như liên kết HVDC, là một giải pháp khả thi Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức trong việc mô hình hóa độ tin cậy cho HVDC và đánh giá tác động của các thành phần này đối với độ tin cậy của hệ thống truyền dẫn tổng thể Đây là một vấn đề quan trọng cần được xem xét trong quy hoạch lưới điện tương lai, đặc biệt khi các liên kết HVDC ngày càng được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền tải đồng bộ.
Hệ thống HVDC cho phép trao đổi công suất giữa các hệ thống điện khác nhau về tần số và điều độ vận hành, tạo liên kết giữa hệ thống điện mạnh và yếu mà không gây ảnh hưởng lẫn nhau Đối với các cáp biển dài trên 50 km, việc truyền tải bằng cáp AC gặp khó khăn về ổn định điện áp, trong khi cáp HVDC có thể truyền tải hiệu quả hàng trăm km Hệ thống HVDC còn có khả năng cách ly sự cố rã lưới và nâng cao độ ổn định cho hệ thống điện.
Bài báo cáo chuyên đề về "truyền tải điện năng HVDC" đã giúp chúng em nắm vững các đặc điểm, ưu điểm, nhược điểm và công thức tính toán của hệ thống này Những kiến thức từ môn "Điện tử công suất" đã được áp dụng để mô phỏng trên phần mềm Psim, từ đó nâng cao khả năng hiểu biết và ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực truyền tải điện năng.
