Nâng cao khả năng truyền tải điện năng bằng hệ thống hdvc có xét đến sự phát triển của các nguồn năng lƣợng tái tạo trong tƣơng lai

    ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG  TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  NGUYỄN VIẾT TRỊ   C  C NÂNG CAO KHẢ NĂNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG   R   L XÉT ĐẾN SỰ PHÁT TRIỂN BẰNG HỆ THỐNG HDVC CÓ   T CỦA CÁC NGUỒN   D  U NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO TRONG TƢƠNG LAI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN  Đà Nẵng, năm 2020     ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG  TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  NGUYỄN VIẾT TRỊ   C  C   R   L   T   D  U NÂNG CAO KHẢ NĂNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG BẰNG HỆ THỐNG HDVC CÓ XÉT ĐẾN SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC NGUỒN NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO TRONG TƢƠNG LAI Chuyên ngành: Kỹ thuật điện  Mã số: 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS DƢƠNG MINH QUÂN  Đà Nẵng, năm 2020   i LỜI CAM ĐOAN  Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên u c riêng tôi, dướ i sự  hướ ng d ẫn TS Dương Minh Quân Các tài liệu, số liệu liên quan đượ c công bố  trước ngành điệ n c Việt Nam số  tổ chức khoa học thế  giớ i về  hệ  thống lượ ng tái tạo truyền t ải điện chiều HVDC đượ c trích dẫ n nguồn c ụ  thể K ết quả nghiên u luận văn trung thực chưa đượ c cơng bố  bất k ỳ cơng trình khác Tác giả luận văn   C  C   R   L   T   D  U Nguyễn Viết Trị    ii NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN MỘT CHIỀU HVDC NHẰM NÂNG CAO KHẢ NĂNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG CÓ XÉT ĐẾN SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC NGUỒN NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO  Học viên: Nguyễn Viết Trị  Chuyên ngành: Kỹ thuật điện  Mã số: 8520201 Khóa: K37.KTĐ.KT Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN  Tóm tắt: Nhi ều nghiên c ứu về việc nâng c ấ p hệ thống điện vớ i mục tiêu chất lượng điện giảm sự tổn hao h ệ thống đượ c tiến hành ứng dụng vào thực tế Trong đó, truyền tải lượ ng chiều HVDC ngày đượ c tr ọng nghiên c ứu cho vi ệc cung c ấp lượ ng vớ i công suất truyền t ải lớ n, khoảng cách xa, đặc biệt phù hợ  p ứng d ụng vớ i hệ thống điện có sự xâm nhậ p ngày sâu c lượ ng tái t ạo S ố  lượ ng dự án HVDC (high voltage direct current) toàn cầu dần tăng lên năm gần phản ánh sự  quan tâm mức về công nghệ này Vớ i quy mô phát tri ển c hệ thống điện Vi ệt Nam, trình nâng c ấ p hệ thống điện ứng dụng công ngh ệ mớ i vào truyền tải điện dần nóng lên b ối cảnh lượ ng gió mặt tr ời  k ết n ối vào lướ i ngày nhiều hệ thống truyền tải HVAC khó có kh ả năng đáp ứng Hơn nữa, khu vực Mi ền Trung  –   Tây Nguyên c ầu nối cho Miền Bắc - Nam hệ thống truyền t ải l ại mang tính ch ất tr ọng điểm phải mang lượng điện truyền t ải r ất l ớn Điều làm cho hệ thống lướ i truyền tải xuống cấ p cần đượ c bảo dưỡ ng, thay Đề tài ti ến hành ứng dụng mô hệ thống truyền tải HVDC cho lưới điện truyền tải thực tế Từ đó cho thấy lợ i ích mà hệ thống mang lại, tạo sở   tham khảo cho d ự  án thực tế Từ  khóa: HVDC; HVAC; Năng lượ ng tái tạo; truyền tải; VSC  C  C   R   L   T   D  U APPLICATION OF HIGH-VOLTAGE DIRECT CURRENT (HVDC) TO IMPROVE ENERGY TRANSMISSION EFFICIENCY CONSIDERING THE DEVELOPMENT OF RENEWABLE ENERGY Abstract: Many studies on upgrading the electrical system with the aim of power quality and reducing the loss on the system have been conducted and applied in practice In particular, HVDC transmission system has been increasingly researched for providing power with large transmission power, longdistance, and especially suitable for applications with power systems with increasing penetration of renewable energy The number of HVDC projects in the world have increased in recent years, reflecting the proper interest in this technology With the scale of development of Vietnam electricity system, the process of upgrading the  power system, and applying new technologies to power transmission is gradually heating up in the context of wind and solar energy connected to the grid, and HVAC transmission systems are currently difficult to meet Moreover, the Central Region - Central Highlands is a bridge for the North and South of the transmission system, which is even more important and must carry a large amount of  power transmission This causes the transmission grid system to be degraded and need maintenance and replacement The project conducts simulation of the HVDC transmission system for an actual transmission grid From there, showing the benefits that this system brings, creating a reference base for real projects Keywords: HVDC; HVAC; Renewable Energy; Transmission; VSC   iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i TÓM TẮT ii   MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, THUẬT NGỮ   vi DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH viii MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề .1 Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu .2 Phương pháp nghiên cứu .2 Ý nghĩa thực tiễn khoa học đề tài Cấu trúc luận văn CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO VÀ HỆ THỐNG   TRUYỀN TẢI ĐIỆN MỘT CHIỀU HVDC 1.1 Thực trạng phát triển nguồn lượng tái tạo 1.1.1 Tổng quan lượng tái tạo .4 1.1.2 Tình hình phát triển lượng tái tạo năm gần   1.2 Tổng quan lưới điện thông minh ứng dụng hệ thống truyền tải điện chiều HVDC 1.2.1 Lưới điện thông minh - Smart grid 1.2.2 Microgrid 1.3 Sơ lược hệ thống truyền tải điện chiều HVDC .10 1.3.1 Định nghĩa hệ thống HVDC 10 1.3.2 Tình hình phát triển HVDC 11 1.3.3 Triển vọng phát triển HVDC 12 1.3.4 Vai trò HVDC phát triển lượng tái tạo 12 1.3.5 Nguyên lý hoạt động HVDC 13 1.3.6 Ứng dụng hệ thống HVDC 14 1.4 Cấu tạo hệ thống HVDC phần tử 15 1.5 Các chuyển đổi hệ thống HVDC 19 1.5.1 LCC .19 1.5.2 VSC .20 1.5.3 So sánh LCC-HVDC VSC-HVDC 20  C  C   R   L   T   D  U   iv 1.6 Kết luận 21 CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ CHUYỂN ĐỔI VSC   TRONG HỆ THỐNG HVDC .23 2.1 Ứng dụng chuyển đổi VSC hệ thống HVDC   23 2.2 Các phương pháp chuyển hệ tọa độ 24 2.3 Điều khiển VSC hệ tọa độ dq .25 2.3.1 Cấu trúc hệ thống VSC 25 2.3.2 Chế độ dòng điện điều khiển chế độ điện áp   26 2.3.3 Mơ hình động điều khiển cơng suất 28 2.3.4 Vịng lặp khóa pha 29 2.3.5 Bộ điều khiển công suất tác dụng/phản kháng chế độ điều khiển dòng điện .30 2.3.6 Điều khiển dòng điện VSC 31 2.3.7 Điện áp DC -Bus 33 2.4 Kết luận 34 CHƢƠNG HIỆN TRẠNG LƢỚI ĐIỆN KHU VỰC KON TUM –  GIA LAI, LỰA CHỌN KHU VỰC ỨNG DỤNG HỆ THỐNG HVDC GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ETAP .35 3.1 Hiện trạng lưới điện khu vực Kon Tum –  Gia Lai 35 3.1.1 Hiện trạng lưới điện 35 3.1.2 Quy hoạch dự án lượng tái tạo khu vực lưới điện   38 3.2 Lựa chọn khu vực ứng dụng hệ thống HVDC 39 3.3 Giới thiệu phần mềm mô ETAP 40 3.3.1 Các khả tính tốn phần mềm ETAP 40 3.3.2 Các phần tử 43 3.3.3 Mô HVDC ETAP .50 3.4 Kết luận 52 CHƢƠNG ỨNG DỤNG PHẦN MỀM XÂY DỰNG MƠ HÌNH LƢỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI TÍCH HỢP HỆ THỐNG HVDC 53 4.1 Xây dựng mơ hình hệ thống 53 4.1.1 Xây dựng mơ hình phần ETAP 53 4.1.2 Các trường hợp mô 55 4.2 Kết mô 56 4.2.1 Mô trào lưu công suất chế độ cực đại 56 4.2.2 Mô trào lưu công suất chế độ cực tiểu .61 4.2.3 Tính tốn ngắn mạch .67  C  C   R   L   T   D  U   v 4.3 Phân tích, đánh giá kết .68 4.3.1 Trào lưu công suất 68 4.3.2 Tính tốn ngắn mạch .71 4.4 Kết luận 72 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .73 TÀI LIỆU THAM KHẢO  QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)  C  C   R   L   T   D  U      vi DANH MỤC CÁC CHỮ  VIẾT TẮT, THUẬT NGỮ   Từ  viết tắt / Thuật ngữ   HVDC HVAC SG IEA LCOE PV  NLTT DG LCC VSC DC AC PWM PCC Giải thích nghĩa  Truyền tải chiều điện áp cao   Truyền tải xoay chiều điện áp cao   Lưới điện thơng minh  Chi phí gia cơng, lắ p dựng giá đỡ dàn pin mặt tr ờ i Chi phí bình qn tồn cầu điện khả dụng  Pin quang điện  Năng lượng tái tạo   Nguồn phân tán  Bộ biến đổi nguồn dòng Thyristor Bộ biến đổi nguồn áp   Dòng điện chiều  Dòng điện xoay chiều  Phương pháp điều rộng xung   Điểm kết nối chung    C  C   R   L   T   D  U     vii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng  Trang bảng  3.1 Hiện trạng tổn thất dường dây truyền tải tháng 06/2019   36 Thông số đường dây khu vực lưới điện Kon Tum –  Gia Lai 4.1 53 Công suất truyền tải đường dây sử dụng HVAC 4.2 57 chế độ cực đại   Điện áp sử dụng HVAC chế độ cực 4.3 57 đại  Tổn thất công suất điện áp lưới sử dụng HVAC 4.4 58 chế độ cực đại   Công suất truyền tải đường dây sử dụng HVDC 4.5 59 chế độ cực đại   Điện áp sử dụng HVDC chế độ cực 4.6 60 đại  Tổn thất công suất điện áp lưới sử dụng HVDC 4.7 61 chế độ cực đại   Công suất truyền tải đường dây sử dụng HVAC 4.8 62 tr ong chế độ cực tiểu   Điện áp sử dụng HVAC chế độ cực 4.9 63 tiểu  Tổn thất công suất điện áp lưới sử dụng HVAC 4.10 64 chế độ cực tiểu   Công suất truyền tải đường dây sử dụng HVDC   4.11 65 chế độ cực tiểu   Điện áp sử dụng HVDC chế độ cực 4.12 66 tiểu  Tổn thất công suất điện áp lưới không sử dụng 4.13 66 HVDC chế độ cực tiểu  4.14 So sánh tổn thất công suất điện áp rơi chế độ cực đại   69 4.15 So sánh tổn thất công suất điện áp rơi chế độ cực tiểu   70  C  C   R   L   T   D  U     viii DANH MỤC CÁC HÌNH  Số hiệu hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 Tên hình Trang Tình tình phát triển lượng tái tạo năm 2018 Hiện trạng lượng tái tạo giới phân chia theo khu vực  Mơ hình lưới điện sử dụng HVDC  Chức SG   Cấu hình hệ thống Microgrid chức   Sơ đồ nguyên lí hệ thống truyền tải HVDC   Sơ đồ hệ thống HVDC lưỡng cực  Cấu trúc biến đổi 12 xung  Hình ảnh module Thyristor   Bộ lọc xoay chiều  Bộ lọc DC  Cuộn kháng san    Nguồn công suất phản kháng tụ điện  Cấu trúc LCC –  HVDC VSC - HVDC So sánh LLC VSC Cấu trúc VSC -HVDC Dạng sóng phép biến đổi Clarke   Giản đồ vector chuyển hệ tọa độ αβ sang hệ tọa độ dq ngược lại.  Sơ đồ nguyên lý hệ thống VSC tần số đặt lưới   Sơ đồ điều khiển công suất tác dụng/công suất phản kháng chế độ điều khiển điện áp   Sơ đồ điều khiển công suất tác dụng / phản kháng điều khiển chế độ dòng điện   Sơ đồ khối điều khiển PLL   Sơ đồ sơ lược PLL   Sơ đồ khối hệ thống điều khiển dòng điện VSC   Sơ đồ lưới điện truyền tải khu vực Kon Tum –  Gia Lai Giao diện Etap   Các chức tính tốn   Các phần tử AC   Các thiết bị đo lường, bảo vệ    C  C   R   L   T   D  U 10 14 15 15 16 16 17 17 18 20 21 23 24 25 25 26 27 30 30 32 35 40 41 41 42   71 đáp ứng nhu cầu ph ụ t ải Điều đồng nghĩa chi phí cho việ c xây dự ng hệ  thống HVDC sẽ tăng lên   Mặt khác, nhờ   vào việc giảm tổn hao công suất lưới, điện áp đượ c nâng lên 4.3.2 Tính tốn ng ắn mạch Trong q trình mơ ngắ n mạ ch, có thể thấy vớ i k ết quả hình 4.9 4.10, dòng ngắn mạch đổ về thanh RES thấp nhiều sử dụng hệ thống HVDC Cụ thể hơ n, ng sóng dịng ngắ n mạch đượ c chỉ ra rõ hình 4.11  C  C   R   L   T   D  U  Hình 4.11 Dạng sóng dịng điện ng ắn   mạch t ại RES Với trườ ng hợ  p sử dụng đườ ng dây AC, dòng ngắ n mạch đổ  về thanh RES có giá tr ị  trung bình đạt 20 kA giá tr ị  đỉnh sóng 30 kA Ngun nhân tồn bộ  cơng suất từ các nguồn lưới điện truyề n tr ực tiế p về đây Điều đỏ i hỏi đườ ng dây cầ n phải đượ c bả o vệ bở i thiết bị có dịng cắt cao Trườ ng hợ  p lạ i, với HVDC, dòng điệ n ngắ n mạch chỉ đạt 1.05 kA biên độ   cực đại sóng dịng ngắn mạch chỉ  khoảng kA Trong đầ u cực chuyển đổi nghịch lưu hay chỉnh lưu HVDC, có r ất nhiều thiết bị bảo vệ và bộ x ả dịng ngắn mạch (Chopper) đượ c tích hợ  p nhằm bảo vệ các linh kiệ n bên van  bán dẫn, nhữ ng bộ phận r ất d ễ hư hỏng dòng điện cao điện áp ngượ c Khi ngắ n mạch xảy ra, bộ phận gần độ ng tức, hạn chế dòng ngắ n mạch qua DC link bộ chuyển đổi Do đó, độ tin cậy khả  vận hành lưới sẽ  đượ c nâng cao sử  dụng HVDC giá cả  đầu tư có thể  đắt đỏ  so vớ i hệ th ống AC truyền thống hiệ n   72 4.4 K ết luận Các k ết quả  cho thấy, sử  dụng thiết bị  HDVC sẽ  làm giảm tổn hao công suất trình truyền tải điện Ứng dụng thực tế vào tình hình nước ta nay, truyền tải siêu cao áp chiều +/- 500kV có khả ứng dụng cao mà hệ thống điện dầ n già hóa cần phải nâng cấp, tình hình lượng tái tạo ngày gia tăng.   C  C   R   L   T   D  U   73 K ẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ  K ết luận Vớ i quy mô phát triển c h ệ th ống điệ n Việt Nam, trình nâng cấ p h ệ thống điện ứ ng dụng công nghệ mớ i vào truyền tải điện dần nóng lên  bối cảnh lượ ng gió mặt tr ời  k ết nối vào lướ i ngày nhiề u hệ  thống truyền tả i HVAC khó có khả  đáp ứng Hơn nữ a, khu vực Miề n Trung  –   Tây Nguyên cầu nối cho Miền Bắc - Nam hệ  thống truyề n tải lại mang tính chất tr ọng điểm phả i mang lượng điện truyền t ải r ất l ớn Điều làm cho hệ thống lướ i truyề n tả i xuống cấ p cần đượ c bảo dưỡ ng, thay Đề  tài ứ ng dụng phầ n mề m ETAP cho thấy đượ c lợ i ích hệ thống HVDC mang lại so vớ i HVAC hiệ n Các k ết quả  thu đượ c có thể dùng làm sở   tham khảo cho trình quy hoạch nâng cấp lưới điệ n sau Tuy nhiên, luận văn tồ n vài hạ n chế Quá trình ổn định động hệ  thống chưa đượ c phân tích sâu nhữ ng hạ n chế về phần mề m Ngoài ra, luậ n văn chỉ tậ p trung vào yếu tố k ỹ thuật, tiêu chí kinh tế về xây d ự ng vậ n hành HVDC so với HVAC chưa tính đế n Kiến nghị   Nhược điểm phần mềm ETAP mô hệ  th ống HVDC chưa thể mô đượ c trình ổn định động (Transient Stability) h ệ th ống để  cho thấy đáp ứng xác ứ ng dụng HVDC vào truyền tả i Và mặt cịn hạn chế của đề tài Trong tương lai, hướ ng phát triển để tài sẽ tích hợ  p nguồn lượ ng tái tạo vớ i mơ q trình ổn định động vớ i nhiều trườ ng hợ  p s ự cố  để có thể  đưa đượ c k ết quả chính xác, mở   điề u kiện thuận lợ i để có thể  ứ ng dụng hệ thống HVDC vào lướ i Truyền tải điện Việt Nam  C  C   R   L   T   D  U     TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Hồ Anh Dương, Nghiên cứ u t ổn  g quan hệ  thố ng truyề n t ải lượ ng chiề u hvdc phương pháp điề u khiể n bộ  chuyển đổ i nguồn áp  VSC , Đồ  án tốt nghiệ p, Đại học Bách khoa –  Đại học Đà Nẵ ng [2] Bùi Tiến Việt,  Nghiên cứ u áp d ụng công nghệ  truyề n t ải điện áp cao chiề u t ại Việt Nam Luậ n văn thạc sỹ Tiếng Anh [3] Amirnaser Yazdani, Reza Iravani, “Voltage -Sourced Converters in Power Systems: Modeling, Control, and Applications” [4] Etap 16.00 User Guide [5] Jingbo H., Mingjie L., Jun Y., Qing C., Tao X., and Zhao Y., "Research on dynamic characteristics and countermeasures of AC-DC hybrid power system with large scale HVDC transmission", in Power System Technology (POWERCON), 2014 International Conference on, 2014, pp 799-805 [6] Ling Xu,  Modeling, Analysis and Control of Voltage-Source Converter in  Microgrids and HVDC, University of South Florida [7] Meah K and Ula S., "Comparative Evaluation of HVDC and HVAC Transmission Systems," 2007 IEEE Power Engineering Society General  Meeting , Tampa, FL, 2007, pp 1-5 [8] Meah K and S Ula, "Comparative Evaluation of HVDC and HVAC Transmission Systems," 2007 IEEE Power Engineering Society General Meeting, Tampa, FL, 2007, pp 1-5 [9] Mbangula K N I, Davidson I E and Tiako R, “Improving Power System Stability of South Africa’s HVAC Network Using Strategic Placement of HVDC Links” Proceedings of the CIGRE International Symposium 2015 Development of Electricity Infrastructures for Sub-Saharan Africa, Cape Town, South Africa, October 26-30, 2015 [10] Oni O E., I E Davidson and K N I Mbangula, "A review of LCC-HVDC and VSC-HVDC technologies and applications," 2016 IEEE 16th International Conference on Environment and Electrical Engineering (EEEIC), Florence, 2016, pp 1-7 [11] Renewable capacity highlights in irena.com  C  C   R   L   T   D  U     [12] The Vietnamese Prime Minister, “Approval of the Revised National Power Development Master Plan for the 2011-2020 Period with the Vision to 2030”, Decision No 428/QD-TTg, March 18, 2016 Trang web [13] “Dolwin1”,http://www.abb.com/industries/ap/db0003db004333/8b74a5fe4cc03e 44c125777c003f3203.aspx  C  C   R   L   T   D  U    C  C   R   L   T   D  U    C  C   R   L   T   D  U    C  C   R   L   T   D  U    C  C   R   L   T   D  U    C  C   R   L   T   D  U    C  C   R   L   T   D  U    C  C   R   L   T   D  U    C  C   R   L   T   D  U    C  C   R   L   T   D  U    C  C   R   L   T   D  U