Phân tích và đánh giá hiệu quả công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều trong hệ thống điện Việt Nam
Bộ giáo dục v đo tạo Trờng đại học bách khoa h nội _______________ Văn Xuân Anh Phân tích v đánh giá hiệu quả công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều trong hệ thống điện Việt Nam Chuyên ngành : Hệ thống điện Mã số : 02.06.07 tóm tắt luận án tiến sỹ kỹ thuật Hà Nội, 2007 Danh mục các công trình khoa học 1. Văn Xuân Anh. Đánh giá so sánh các phơng án truyền tải điện một chiều trong HTĐ Việt Nam sử dụng chỉ số ổn định, Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trờng Đại học kỹ thuật số 55, 2005. 2. Văn Xuân Anh, Trần Bách, Đánh giá khả năng hỗ trợ ổn định hệ thống điện của công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều, Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trờng Đại học kỹ thuật số 54, 2005. 3. Văn Xuân Anh, Nâng cao chất lợng truyền tải điện, Tạp chí Điện và đời sống, tháng 5 năm 2002. Công trình đợc hoàn thành tại Bộ môn Hệ thống điện-khoa Năng lợng-Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TS. Trần Bách Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội Phản biện 1: TSKH. Trần Kỳ Phúc Viện Năng lợng Phản biện 2: PGS.TS. Phạm Quang Hòa Trờng Đại học Điện lực Phản biện 3: TS. Lâm Du Sơn Tập đoàn Điện lực Việt Nam Luận án sẽ đợc bảo vệ trớc hội đồng chấm luận án cấp nhà nớc họp tại vào hồi giờ ngày thángnăm. Có thể tìm hiểu luận án tại: Th viện Quốc Gia Th viện Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội 1 Phần chung 1. Giới thiệu Trong việc giải quyết các vấn đề kỹ thuật hệ thống điện, công nghệ bán dẫn công suất ứng dụng mạch biến đổi tín hiệu số, thyristor công suất đã đem lại những hiệu quả rõ rệt về điều khiển công suất, dòng điện, điện áp, là các thông số quan trọng của hệ thống điện. Trên thế giới, công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều (220kV-500kV) đang đợc khai thác một cách hiệu quả, mang lại lợi ích về phân bố công suất trên các tuyến truyền tải nhờ chức năng điều khiển dòng công suất mà hệ thống truyền tải điện xoay chiều khó thực hiện đợc. Đối với hệ thông điện lớn, vai trò điều khiển nhanh, độc lập của hệ thống một chiều cho phép tăng cờng ổn định toàn hệ thống. Đối với kết nối trao đổi điện năng điện một chiều cho phép cách ly hệ thống tốt nhất, tránh các dao động của hệ thống này ảnh hởng đến vận hành của hệ thống kia. Truyền tải một chiều kết nối hệ thống không làm tăng dòng công suất ngắn mạch do vậy giảm rủi ro sự cố, tăng cờng an toàn hệ thống. Hệ thống điện Việt Nam đang phát triển, trở thành một hệ thống có nhiều kết nối mạnh, hàng loạt các vấn đề kỹ thuật trong hệ thống điện đang xuất hiện. Các vấn đề kỹ thuật này đều cha đợc dự báo, phân tích tính toán trên cơ sở các nghiên cứu đánh giá chi tiết. Công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều cũng cha đợc nghiên cứu một cách đầy đủ. 2. Mục đích nghiên cứu Luận án nghiên cứu, phân tích và đánh giá hiệu quả công nghệ truyền tải một chiều trong hệ thống điện Việt Nam đợc thực hiện với các mục đích nh sau: Nghiên cứu kết cấu, chức năng và nguyên tắc làm việc của các phần tử trong công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều Nghiên cứu xác định các phơng án truyền tải điện cao áp một chiều trong hệ thống điện Việt Nam và đánh giá các phơng án truyền tải điện cao áp một chiều trong chế độ xác lập và quá độ của hệ thống điện. 2 Mô phỏng phân tích ổn định động hệ thống điện Việt Nam với các phơng án truyền tải điện cao áp một chiều dựa trên việc xây dựng phần mềm điều khiển trạm chỉnh lu/nghịch lu của hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều. So sánh và đánh giá hiệu quả ổn định hệ thống của các phơng án truyền tải điện cao áp một chiều trong hệ thống điện Việt Nam dựa trên kết quả đạt đợc. Dự tính vốn đầu t phơng án truyền tải điện cao áp một chiều so sánh với phơng án truyền tải điện xoay chiều tơng đơng. 3. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi của luận án bao gồm việc phân tích ổn định các phơng án truyền tải điện một chiều trong HTĐ Việt nam trên cơ sở xây dựng mô hình động bộ điều khiển truyền tải điện một chiều. Phạm vi nghiên cứu không tập trung vào các ứng dụng rộng lớn của truyền tải điện một chiều hạ áp hoặc trung áp nh cấp điện cho giàn khoan dầu ngoài khơi, điều khiển động cơ điện Phạm vi của luận án cũng không bao gồm công nghệ truyền tải điện một chiều nhiều nút. Chơng 1: Tổng quan về công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều 1.1. Sơ đồ truyền tải điện cao áp một chiều Sơ đồ truyền tải điện cao áp một chiều bao gồm: sơ đồ đơn cực, sơ đồ hai cực và sơ đồ nối nguồn trực tiếp. Sơ đồ truyền tải điện cao áp một chiều đơn cực: sử dụng chủ yếu trong các hệ thống cáp và điện áp không cao (50kV, 70kV, 80kV), truyền tải công suất không lớn. Sơ đồ truyền tải điện một chiều hai cực: (cực + và cực -) nh hệ thống thông thờng đang đợc sử dụng rộng rãi bao gồm hai đờng dẫn điện trên không hoặc cáp ngầm, truyền tải công suất lớn, điện áp cao, 220kV, 500kV, trên khoảng cách lớn. Sơ đồ truyền tải điện một chiều hai cực đồng nhất: bao gồm hai đờng dẫn cùng cực, thờng là cực âm để giảm nhiễu. Sơ đồ có thể áp dụng trong truyền tải trạm tập trung, tức là trạm chỉnh lu và nghịch lu đợc xây dựng tại cùng một vị trí. 3 Sơ đồ truyền tải điện một chiều nối nguồn: là sơ đồ truyền tải điện cao áp một chiều nối trực tiếp với các máy phát thủy điện có cột nớc cao hoặc các máy phát tuốc bin khí có vận tốc lớn (3000/3600 vòng/phút). Hệ thống có khả năng làm việc hiệu quả trong các trờng hợp phụ tải biến thiên và chế độ máy phát thay đổi. 1.2. Các phần tử cơ bản trong hệ thống truyền tải điện một chiều Hệ thống truyền tải điện một chiều cao áp bao gồm các phần tử công nghệ cơ bản là các máy biến áp nâng điện áp lên điện áp truyền tải, bộ biến đổi chỉnh lu, nghịch lu biến đổi điện xoay chiều thành một chiều và ngợc lại, các bộ thiết bị lọc sóng hài, thiết bị bù công suất phản kháng và đờng dây truyền tải. Hình I-6: Sơ đồ cột đờng dây 1 mạch, 2 mạch xoay chiều và 2 mạch một chiều So sánh các sơ đồ đờng dây cao áp thể hiện trên hình I-6. Trong đó sơ đồ cột số 1 là sơ đồ đờng dây xoay chiều 500kV 1 mạch. Sơ đồ cột thứ 2 là sơ đồ đờng dây xoay chiều 500kV 2 mạch, sơ đồ cột số 3 là sơ đồ cột đờng dây cao áp một chiều 500kV. Khả năng chuyên tải công suất của sơ đồ cột số 2 và số 3 là tơng đơng nhau, số mạch bằng 2 và dây dẫn có tiết diện tơng đơng. So sánh giữa sơ đồ 2 và sơ đồ 3, số dây dẫn giảm đi một phần ba (6x4 so với 2x4), chiều cao cột và khối lợng cột giảm đi từ một nửa đến hai phần ba. 4 Công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều thực hiện đợc là nhờ bộ chỉnh lu và nghịch lu trong đó vai trò quyết định là thyristor công suất. Thyristor bao gồm loại thyristor thông thờng và các loại thyristor thế hệ mới nh GTO hoặc IGBT. Gần đây công nghệ thyristor đã phát triển loại thyristor LTT có thể điều khiển bằng xung quang. 1.3. Các tham số cơ bản điều khiển bộ chỉnh lu, nghịch lu Trong các sơ đồ chỉnh lu, nghịch lu, các tham số điều khiển chính là góc mở điều khiển chỉnh lu, góc tắt điều khiển nghịch lu. Thời gian trễ mở thyristor gọi là góc mở, ký hiệu là . Góc mở do hệ thống điều khiển quyết định. Góc trùng dẫn đặc trng cho sơ đồ mạch thyristor, phụ thuộc vào chế độ làm việc của mạch là thông số quan trọng nhng không phải là tham số điều khiển. Tại bộ chỉnh lu, tham số điều khiển góc mở điều khiển dòng điện một chiều hay công suất trên hệ thống một chiều. Phạm vi điều chỉnh thực tế = 10 O ữ30 O . Tại bộ nghịch lu, tham số điều khiển góc tắt kiểm soát điện áp trong phạm vi cho phép. Phạm vi điều chỉnh thực tế = 15 O ữ40 O . Chơng 2: mô hình máy phát v các bộ điều khiển máy phát trong tính toán phân tích QTQĐ HTĐ việt nam 2.1. Cơ sở tính toán và phân tích QTQĐ hệ thống điện QTQĐ nghiên cứu ổn định động hệ thống sau các dao động sự cố thể hiện bằng hệ các phơng trình: phơng trình vi phân mô tả chuyển động quay của các máy phát, phơng trình mô tả QTQĐ điện từ trong cuộn dây rôto và các phơng trình vi phân mô tả các thiết bị tự động điều chỉnh kích từ, tự động điều chỉnh tuabin máy phát và các thiết bị điều chỉnh trên lới điện (FACT). 2.2. Các phơng pháp nghiên cứu ổn định động hệ thống điện Nghiên cứu ổn định động HTĐ dựa trên các phơng pháp bao gồm: phơng pháp phân tích hàm năng lợng trực tiếp và phơng pháp tích phân số. Phơng pháp phân tích hàm năng lợng trực tiếp dựa trên các tiêu chuẩn thực dụng theo trờng phái truyền thống của Lyapunov. Phơng pháp tích phân số cũng đợc tiến hành trên các mô hình đơn giản hoá HTĐ. Trong quá trình nghiên cứu, có thể bỏ qua một số thành phần ít ảnh hởng đến kết quả 5 nhng cho phép đơn giản hoá quá trình tính toán, nh: bão hoà mạch từ trong các cuộn dây máy phát và máy biến áp, thành phần chu kỳ trong dòng điện rôto của các máy phát, tơng đơng hoá tác động của cuộn cản bằng thành phần tỷ lệ với hệ số trợt của máy phát. 2.3. ảnh hởng của các bộ tự động điều chỉnh đến ổn định hệ thống điện Đối với ổn định hệ thống điện, mức độ ảnh hởng của TĐK thể hiện là hằng số quán tính, là thời gian hay tốc độ tác động điều khiển đến kích từ máy phát. Trong nghiên cứu ổn định hệ thống, khi diễn ra các kích động lớn TĐK ít tác dụng, tuy nhiên bộ tự động điều khiển điện áp kích từ (AVR) đi kèm lại có tác dụng đáng kể. Hiệu quả của TĐK phụ thuộc vào tốc độ điều chỉnh, phạm vi điều chỉnh điện áp. Tơng tự nh hệ thống kích từ máy phát, tác động của bộ tự động điều chỉnh tốc độ máy phát có ảnh hởng không mạnh đến ổn định động hệ thống điện. Bộ tự động điều chỉnh tốc độ máy phát tác động đến công suất cơ của tuabin. Nếu các khâu đo lờng và bộ biến đổi độ lệch tốc độ quay tuabin đợc trang bị là loại xử lý tín hiệu tốc độ cao phù hợp, bộ khuếch đại thủy lực điều khiển độ mở cửa hơi tác động tức thì, điều chỉnh tốc độ máy phát sẽ có hiệu quả đáng kể trong giai đoạn sau của QTQĐ. Cắt ngắn mạch nhanh hay tự động đóng lặp lại các sự cố thoáng qua là biện pháp đặc biệt hiệu quả trong các biện pháp tăng cờng ổn định động hệ thống điện. Hiện nay các máy cắt với hệ thống điều khiển bảo vệ số cho phép tách phần tử sự cố khỏi hệ thống trong thời gian 0,1 đến 0,3s. Máy cắt có tự động đóng lại một pha đặc biệt hiệu quả trong cải thiện ổn định động hệ thống điện. Tổng dẫn liên kết và công suất điện từ sẽ khác không trong thời gian cắt ngắn mạch 1 pha, diện tích gia tốc giảm đi so với cắt cả 3 pha. Truyền tải điện một chiều cũng là giải pháp có thể tăng ổn định động hệ thống. Cảm kháng của đờng dây truyền tải điện một chiều rất nhỏ, tốc độ điều khiển các thông số hệ thống (điện áp nút, tần số, công suất) rất nhanh là đặc điểm của truyền tải điện một chiều. Các đặc điểm này có tác động mạnh đến ổn định động hệ thống điện. 2.4. Đặc điểm hệ thống điện Việt Nam Đến cuối 2004 hệ thống điện Việt nam có tổng công suất đặt là 10 445MW, công suất khả dụng đạt 10 223MW. Trong đó thuộc EVN là 6 8 747MW, chiếm 84% và các nguồn ngoài EVN là 1 698MW, chiếm 16%. Trong giai đoạn 1995-2003, sản xuất điện năng năm 2003 tăng gấp 2,8 lần năm 1995, tốc độ tăng trung bình khoảng 13,7%. Đến năm 2004, điện năng sản xuất đạt 46,84 tỷ KWh điện, tăng 13,5% so với năm 2003. Năm 2005, công suất cực đại của hệ thống điện vào khoảng 9512MW, lợng điện năng tiêu thụ khoảng 53,5 tỷ KWh. Công suất cực đại của hệ thống đã tăng 2,6 lần tính từ năm 1996 đến năm 2004, với tốc độ trung bình khoảng 12,8%. 2.5. Chơng trình mô phỏng hệ thống điện Việt Nam Hiện nay trên thế giới có nhiều chơng trình phần mềm tính toán phân tích, nghiên cứu hệ thống điện. Chơng trình mô phỏng hệ thống điện PSS/E do công ty Power Technology của Mỹ xây dựng. Chơng trình cho phép mô phỏng chi tiết các phần tử cơ bản của hệ thống điện, tính toán phân bố công suất, phân tích sự cố và mô phỏng ổn định hệ thống điện lớn. Đối với tính toán mô phỏng ổn định HTĐ, số liệu, mô hình các máy phát, tự động kích từ, điều tốc có ảnh hởng lớn đến bài toán nghiên cứu. Do đó dựa trên các số liệu đợc xây dựng sát với thực tế HTĐ Việt Nam, chơng trình PSS/E cho phép mô phỏng gần chính xác nhất. 2.6. Mô hình động các máy phát trong HTĐ Việt nam Luận án sử dụng các mô hình mô phỏng máy phát trong tính toán ổn định động HTĐ Việt Nam trên cơ sở số liệu tính toán hệ thống điện của Công ty T vấn Xây dựng điện 1, Viện Năng lợng, Trung tâm Điều độ HTĐ Quốc gia, Tổng công ty Điện lực Việt nam. 7 Chơng 3: Mô hình động bộ điều khiển Truyền tải điện cao áp một chiều 3.1. Mô hình truyền tải điện cao áp một chiều Trong phân tích hệ thống điện, trạm biến đổi một chiều là trạm chỉnh lu hoặc nghịch lu có nguyên tắc tơng tự biến đổi xoay chiều/một chiều hoặc ngợc lại. Do đó việc mô phỏng bằng các phơng trình hoặc hệ phơng trình biến đổi không khác biệt nếu nhìn cùng từ phía xoay chiều nh sơ đồ hình III-3. Hình III-3: Mô hình phần tử truyền tải điện một chiều Hệ phơng trình mô phỏng phân tử truyền tải điện cao áp một chiều nh sau: U a = T.E a U d = U 0 d cos - 3 X c I d + R d I d ad UU 18 0 = cos 18 daa IKETP = sin 18 daa IKETQ = o d d UK U . cos = (III-7) R d U d U 0 d X c , U a E a T I d [...]... so với trong phơng án cơ sở 24 Kết luận 1 Lần đầu tiên tiến hành nghiên cứu, mô phỏng và phân tích ổn định động hệ thống điện Việt Nam với các phơng án truyền tải điện cao áp một chiều Các phơng án truyền tải điện một chiều trong hệ thống điện Việt Nam đã đợc nghiên cứu bao gồm: Truyền tải điện một chiều 500kV Sơn La-Nho Quan; Truyền tải điện một chiều 500kV Sơn La-Sóc Sơn; kết nối hệ thống điện với... án truyền tải điện một chiều trong HTĐ Việt Nam Bộ điều khiển truyền tải điện một chiều đợc xây dựng trên cơ sở hàm truyền logic, kết hợp với chơng trình tính toán hệ thống điện PSS/E (Mỹ) tạo thành mô hình đầy đủ nghiên cứu HTĐ Việt Nam Dựa trên các phân tích tính toán ổn định các phơng án truyền tải điện cao áp một chiều, luận án đã so sánh và đánh giá hiệu quả các phơng án truyền tải điện một chiều. .. với Lào cấp điện áp 500kV và 220kV tại Hà Tĩnh; kết nối hệ thống điện Trung Quốc điện áp 500kV Trên cơ sở phân tích và đánh giá, sử dụng công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều có thể tăng cờng ổn định, hỗ trợ ổn định điện áp hệ thống điện trong chế độ xác lập và các trờng hợp dao động sự cố 2 Luận án đã xây dựng mô hình động bộ điều khiển truyền tải điện một chiều nhằm mô phỏng, phân tích ổn định... thay thế, là truyền tải điện xoay chiều truyền thống quy mô tơng đơng Hệ thống điện Việt Nam đang đợc quy hoạch phát triển nhanh với các đờng dây dài tải điện đi xa và liên kết với các hệ thống điện các nớc trong khu vực Nghiên cứu khả năng tăng cờng và hỗ trợ ổn định trong kết nối hệ thống điện và truyền tải công suất lớn sử dụng công nghệ truyền tải cao áp một chiều là có ý nghĩa thực tiễn và cấp thiết... đầu t các phơng án truyền tải điện một chiều Dự tính vốn đầu t phơng án truyền tải điện cao áp một chiều so với truyền tải điện cao áp xoay chiều truyền thống dựa trên các giả thiết nh sau: + Thực hiện dự tính vốn đầu t các phơng án truyền tải điện cao áp một chiều mang tính chất thay thế truyền tải điện cao áp xoay chiều truyền thống + Các phơng án thay thế có quy mô công suất và thời gian phục vụ tơng... nối hệ thống điện với Lào tại cấp điện áp 220kV: Trong phơng án kết nối hệ thống điện với Lào tại cấp điện áp một chiều 500kV, lợng công suất phản kháng bù tại thanh cái 500kV Hà Tĩnh bằng 2 x200 MVAR Tơng tự nh phơng án kết nối hệ thống điện với Lào tại cấp điện áp một chiều 500kV, truyền tải công suất trong hệ thống trong hệ thống không thay đổi đáng kể Kết nối hệ thống điện Trung Quốc cấp điện áp. .. sử dụng truyền tải điện cao áp xoay chiều + Giá thành công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều dựa trên giá thành một số các công trình hiện có trên thế giới 21 Xác định giá thành thiết bị và hiệu chỉnh quy đổi về hiện tại: Giá thành các hạng mục trong dự án truyền tải điện một chiều đợc tổng kết từ các dự án đã hoàn thành và đang vận hành Trong đó điển hình là giá thành các hạng mục chính trong phơng... mục chính trong phơng án truyền tải điện cao áp một chiều áp dụng trong hệ thống đờng dây và trạm biến áp cao áp một chiều Longspruce của Manitoba Hydro, Canada Dựa trên giá thành thiết bị công nghệ năm 1987, phần tính toán giá thành các thiết bị công nghệ trong luận án đã quy về thời điểm hiện tại dựa trên giả thiết hệ số hiệu chỉnh lạm phát và hệ số giảm giá thành công nghệ Dự tính đầu t đờng dây... cơ sở 3 Luận án đã tổng hợp giá thành thiết bị công nghệ truyền tải điện một chiều Trên cơ sở đó hiệu chỉnh giá thiết bị về hiện tại, dự tính vốn đầu t phơng án truyền tải điện một chiều so sánh với phơng án truyền tải điện xoay chiều tơng đơng Phân tích và so sánh kinh tế cho thấy: đối với hệ thống truyền tải điện một chiều 500kV nối nguồn trực tiếp nhà máy thuỷ điện, chiều dài khoảng 300km, mức đầu... tính vốn đầu t các phơng án truyền tải điện cao áp một chiều: các phơng án công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều là phơng án thay thế phơng án cơ sở: phơng án cơ sở là đờng dây 500kV Sơn La-Hoà BìnhNho Quan, phơng án thay thế là phơng án truyền tải cao áp một chiều 500kV Sơn La-Nho Quan Đờng dây cao áp một chiều 500kV: Đờng dây cao áp một chiều 500kV Sơn La-Nho Quan có chiều dài khoảng 280km Đờng . của hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều. So sánh và đánh giá hiệu quả ổn định hệ thống của các phơng án truyền tải điện cao áp một chiều trong hệ thống điện Việt Nam dựa trên kết quả. tải điện cao áp một chiều Nghiên cứu xác định các phơng án truyền tải điện cao áp một chiều trong hệ thống điện Việt Nam và đánh giá các phơng án truyền tải điện cao áp một chiều trong chế. Tổng quan về công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều 1.1. Sơ đồ truyền tải điện cao áp một chiều Sơ đồ truyền tải điện cao áp một chiều bao gồm: sơ đồ đơn cực, sơ đồ hai cực và sơ đồ nối