Báo cáo nghiên cứu khoa học: "ỨNG DỤNG HVDC TRONG VIỆC NÂNG CAO KHẢ NĂNG TRUYỀN TẢI VÀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM" ppt

ỨNG DỤNG HVDC TRONG VIỆC NÂNG CAO KHẢ NĂNG TRUYỀN TẢI VÀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM APLLICATION OF HVDC TO VIETNAM’S POWER SYSTEM FOR TRANSMISSION CAPACITY AND STABILITY IMPROVEMEN

ỨNG DỤNG HVDC TRONG VIỆC NÂNG CAO KHẢ NĂNG TRUYỀN TẢI VÀ ỔN ĐỊNH HỆ

THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM

APLLICATION OF HVDC TO VIETNAM’S POWER SYSTEM FOR TRANSMISSION CAPACITY AND STABILITY IMPROVEMENT

NGUYỄN HỒNG ANH

Đại học Đà Nẵng

LÊ CAO QUYỀN

Công ty CP Tư vấn Xây dựng Điện 4

TRẦN QUỐC TUẤN

INPG, Pháp

TÓM TẮT

Bài báo này nghiên cứu về việc ứng dụng mô hình truyền tải điện một chiều cao

áp (HVDC) đối với hệ thống lưới điện 500kV, 220kV Việt Nam thông qua việc khảo sát khả năng nâng cao công suất truyền tải cũng như độ ổn định quá độ Để đánh giá được ưu và nhược điểm của mô hình truyền tải DC so với AC, ứng dụng trong hệ thống điện Việt Nam, các thông số của hệ thống như nhà máy (máy phát, kích từ, điều tốc, ổn định công suất) đường dây, máy biến áp, phụ tải của lưới điện Việt Nam được đưa vào khảo sát ở giai đoạn năm 2020 tuân theo

đề án quy hoạch hệ thống điện lực Việt Nam (TSĐ VI) cũng như đề án Quy hoạch đấu nối các trung tâm nhiệt điện than toàn quốc vào hệ thống điện quốc gia Các kết quả tính toán trào lưu công suất hệ thống, ổn định quá độ được khảo sát qua phần mềm PSS/E-30

ABSTRACT

This paper studies the application of HVDC transmission model to Vietnam’s 500KV, 220kV power system via the investigation into the possibility for transmission capacity and transitional stability improvement In order to evaluate the advantages and disadvantages of HVDC transmission model compared with

AC transmission model application in Vietnam’s power system, the parameters of power system such as plants (generator, excitation system, governor, capacity stability), transmission lines, transformers, additional load of Vietnam’s power system to be investigated in stage up to the year 2020 in accordance with Power Network Planning for Vietnam (the sixth Power Development Master Plan) as well

the National Power Network These results of load flow and transitional stability are examined with the PSS/E-30 software

1 Giới thiệu

Truyền tải điện một chiều cao áp (HVDC) có nhiều thuận lợi hơn truyền tải điện xoay chiều trong một số trường hợp đặc biệt Áp dụng thương mại đầu tiên của truyền tải điện một chiều là đường dây nối liền giữa đất liền của Thụy Điển và đảo Gotland vào năm

1954 Kể từ đó việc áp dụng HVDC có được bước phát triển không ngừng

Với sự ra đời của van thyristor, truyền tải điện HVDC trở nên hấp dẫn hơn Hệ thống HVDC đầu tiên sử dụng van thyristor thực hiện năm 1972 gồm nối kết “lưng kề lưng” (back to back) giữa các hệ thống New Brunkswick và Quebec của Canada 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

Nhằm đáp ứng với tốc độ tăng trưởng trong những năm tới, ngành điện Việt Nam với định hướng phát triển đồng bộ giữa nguồn và lưới điện đã tiến hành đầu tư xây dựng hàng loạt các công trình nguồn điện than ở ba miền đất nước trong giai đoạn đến năm

2020 với tổng công suất dự kiến đến 29.000MW Riêng ở Miền Nam khoảng 18.800MW Theo TSĐ VI và đề án “Quy hoạch đấu nối các trung tâm nhiệt điện than Toàn Quốc vào hệ thống điện Quốc gia” để truyền tải lượng công suất này về trung tâm phụ tải

dự kiến sẽ xây dựng hàng loạt các đường dây (DZ) 500kV Chỉ tính riêng cụm TTNĐ than Vĩnh Tân (4400MW), nguyên tử (1000÷2000MW) sẽ xem xét xây dựng 4 mạch DZ 500kV đấu nối đến trung tâm phụ tải, ngoài ra kết hợp với các trung tâm nhiệt điện (TTNĐ) than Miền Trung (2400MW/mỗi trung tâm) như Cam Ranh, Bình Định, thủy điện (TĐ) tích năng (1200MW) cần phải xây dựng thêm ít nhất 2 đường dây mạch kép để truyền tải Như vậy khả năng xây dựng trên 6 mạch đường dây 500kV đi vào Miền Nam,

2 mạch đi ra khu vực Miền Bắc (đường dây 500kV Bình Định kết nối đến trạm biến áp 500kV Dốc Sỏi) là không tránh khỏi

2 Hệ thống điện Việt Nam [4]

Hình 1 Hệ thống điện 500kV Miền Nam Việt Nam-2020 (TSĐ VI)

Hệ thống điện Việt Nam bao gồm ba miền: Bắc, Trung và Nam Trong đó miền

Nam vẫn chiếm ưu thế là nơi tập trung phụ tải tiêu thụ lớn nhất Để đáp ứng nhu cầu tăng

trưởng của miền Nam, đến giai đoạn năm 2020 rất nhiều đường dây 500kV dự tính sẽ

được xây dựng nhằm truyền tải công suất nguồn điện từ Nam Trung Bộ vào cung cấp cho

phụ tải tại miền Nam (hình 1)

Cân bằng công suất phát và tiêu thụ của khu vực Nam Trung Bộ như bảng sau:

Bảng 1: Cân bằng công suất nguồn và phụ tải khu vực Nam Trung Bộ

2010 2015 2020

1

Khánh Hoà + Bình Định thừa (+), thiếu (-) -190 -85 3431

2

Ninh Thuận & Bình Thuận thừa (+), thiếu (-) 644 3729 6534

3

Cân bằng khu vực, thừa (+), thiếu (-) 354 3644 9965

Theo đó tổng công suất thừa cần truyền tải sang khu vực khác từ các nhà máy

điện tại khu vực Nam Trung Bộ khoảng 3200MW năm 2015 và 9900MW năm 2020

3 Mô hình tính toán của hệ thống HVDC [1], [3]

3.1 Cấu hình của hệ thống HVDC

a) Kết nối đơn cực:

Hệ thống này dùng một dây dẫn, thường sử dụng cực tính âm Đường trở về có

thể dùng đất hay nước

Hình 2: Kết nối đơn cực

b) Kết nối lưỡng cực:

Kết nối này có hai dây: một dương và một âm Mỗi đầu đều có bộ biến đổi điện áp

định mức bằng nhau mắc nối tiếp về phía một chiều

Hình 3: Kết nối lưỡng cực

Ngoài ra còn có mô hình kết nối đồng cực gồm hai hay nhiều dây có cùng cực

tính

3.2 Hệ phương trình truyền tải điện HVDC

Hình 4: Mạch tương đương truyền tải HVDC

Theo [3], phía chỉnh lưu :

) cos

2 3

r

π Phía nghịch lưu:

) cos

2 3

r

Dòng điện một chiều đi từ chỉnh lưu đến nghịch lưu :

L

di dr d R

V V

Nr : số cầu mắc nối tiếp

RL : điện trở đường dây DC

Eacr , Eaci : điện áp dây hiệu dụng AC phía chỉnh lưu và nghịch lưu

α : góc kích trễ ; γ : góc cắt trước

Rcr, Rci : điện trở chuyển mạch tương đương bộ chỉnh lưu và nghịch lưu

3.3 Mô hình điều khiển HVDC trong bài toán phân tích ổn định [2]:

Sơ đồ thuật toán điều khiển của bộ điều khiển trạm chỉnh và nghịch lưu sử dụng trong khảo sát là mô hình CDC4 trong thư viện chuẩn của chương trình mô phỏng

PSS/E-30, Công ty PTI (Mỹ)

Hình 5: Mơ hình điều khiển trạm chỉnh lưu và nghịch lưu

4 Ứng dụng HVDC cho hệ thống điện Việt Nam

Từ Lào đến

1000-j600

Mỹ Tho

-153.6-j665.7

1163.6+j191.6 2x(1000+j201.1600+j168.3

1000+j215.7 2x(

2x( 600+j200.6

Hệ thống điện 500kV Miền Nam năm 2020 Mô hình truyền tải AC

Củ Chi

NĐ Kiến Lương

Đức Hoà

Phú Lâm

Thốt Nốt

NĐ.Ô Môn NĐ.Sóc Trăng

NĐ.Trà Vinh

Phú Mỹ NĐ.Phú Mỹ

NĐ Sơn Mỹ

Sông Mây

Thủ Đ.Bắc Nhà Bè Tân Định Cầu Bông

Mỹ Phước Tây Ninh

Đồng Nai 3,4,5

Đăk Tik

Đăk Nông

Bắc BìnhĐại Ninh

NĐ Nguyên Tử

NĐ Vĩnh Tân

NĐ Cam Ranh

NĐ Bình Định

TĐ Tích Năng Dốc Sỏi

Thạnh Mỹ

303.2+j609.4

380.1+j85.7

2x( 1000+j306.5

222.2kV

4x(

512.3kV 719.2-j21.6

180+j15.6

2609.8+j133.8

1413.6-j321 512.2kV 510.3kV

600-j163.4 3x(

705.4+j458.0

432-j286.6

214.1kV

431.1-j138.9 492.2kV

224.4kV

488.7kV

1000+j301

1000+j341.0

518.9kV

969.8+j184.3

233.3kV

988.1+j85.3

436.9+j37.9

483.2kV

214.9kV

1000+j263.2

3x( 600+j206.7

1653.4+j222.4

Yaly

PleiKu

Di Linh 502.7kV

230.6kV

479.9kV

221.4kV

231.9kV 1277

26.6+j171.4

508.3kV 917.8-j73.4

1844.8-j235.2 507.1kV

2x(

217.7kV

571-j178.8

292.2-j43.6 235.8kV 511.9kV

368.8-j94.2

499.5kV

234.0kV

76.4+j144.4

429.5+j237.8

130+j10.3

1023.2+j333.2

2346+j612 218.5kV

483.7kV

223.3kV 487.7kV

600+j264.6 2x(

932.2+j115.6

516.8kV

229.5kV

226.3kV

514.8kV

215.4kV 486.7kV

489.2+j56.5

479.9kV 2430.3+j582

1065.3+j188.2 355.8+j660.6

1062.8+j432.4

3-4 221.5kV

486.6kV

150+j100.0 3x(

240+j153.8 6x(

493.7kV

2885+j628 1322.2+j682 487.2kV

230.5kV

-314+j165.7

235.4kV 515.1kV 481.4kV

222.1kV

508.1kV

236.9kV

280+j168.0 7x(

1835-j213 230.4kV 516.8kV

Se San 3, 3A, 4

34769MW 913MW Losses:

Pmax_MN:

Hình 6: Phân bố cơng suất lưới điện 500kV Miền Nam năm 2020-mơ hình HVAC

Theo [4], khu vực Nam Trung Bộ sẽ xây dựng rải rác một số nhà máy nhiệt điện, thuỷ điện và truyền tải về Miền Nam bằng mơ hình điện áp xoay chiều 500kV (HVAC)

Công suất và vị trí các nguồn điện xem ở bảng 1 và hình 1 Hình 7 cho kết quả trào lưu công suất lưới điện 500kV ở Miền Nam năm 2020

Truyền tải với mô hình HVAC cho thấy đối với các đường dây 500kV từ NĐ Bình Định đi Di Linh là các đường dây khá dài và tập trung các nguồn điện công suất lớn như trung tâm nhiệt điện (TTNĐ) than Bình Định, Cam Ranh, TĐ tích năng, do đó khi sự

cố trên các đoạn đường dây này, đặc biệt là đoạn đường dây truyền tải công suất cao như 500kV TĐ tích năng Di Linh, sẽ gây ra các dao động công suất lớn và kéo dài, có thể gây mất ổn định nếu thời gian loại trừ sự cố lớn Khả năng hệ thống phục hồi sau sự cố trên tuyến đường dây này có thể kém

Nhằm kiểm chứng nhận định trên khảo sát ổn định động với trường hợp sự cố 3 pha vĩnh cửu trên tuyến đường dây 500kV Di Linh đi TĐ tích năng, điểm sự cố gần thanh cái 500kV TĐ tích năng (với sự cố này toàn bộ hơn 2600MW cung cấp cho miền Nam bị mất trong khoảng thời gian sự cố) cho thấy dao động góc pha của các tổ máy phát đấu nối trên mạch kép 500kV đường dây như NĐ than Bình Định, Cam Ranh, TĐ tích năng ban đầu đi về ổn định tuy nhiên khảo sát càng về sau dao động góc pha của các tổ máy này có

xu hướng càng lúc càng tăng cao, khả năng phục hồi hệ thống thấp

Hình 7: Dao động điện áp, công suất, góc pha máy phát trường hợp sự cố

vĩnh cữu trên DZ 500kV Di Linh-TĐ tích Năng (đóng lặp lại không

thành công),điểm sự cố gần thanh cái 500kV TĐ tích năng

Mỹ Tho

1000-j640

Từ Lào đến

Tân Thành

Thủ Đ.Bắc

-270.5-j351.2 -37.1+j38.9

979.6+j253.8

6x( 240+j153.8 3x( 150+j100.0

502.3kV

235.0kV

NĐ.Phú Mỹ Phú Mỹ

235.7kV -307.4+j146.8 NĐ.Trà Vinh

600+j144.1 2x(

2x( 1000+j166.6

2x(

523.6kV

230.2kV

1798.8-j312.8

7x( 280+j168.0

237.4kV

516.8kV

224.7kV

493.2kV

518.1kV 230.6kV

498.3kV 1314+j574.6

2891.6+j409.4

497.6kV 224.8kV

270.9+j337.6

1084.8+j68.2

2506.2+j846.9

493.0kV

534.4-j37.6

219.8kV

221.4kV

2x(

514.8kV 1860-j289.8

913.8-j189 517.6kV

73.2+j77.8

221.7kV 494.1kV

2103.2+j596.8

1000+j139.7

499.6kV

458.8-j103.9

232.0kV 501.3kV

227.3kV 503.8kV 440.7-j96.3

218.3kV

441.6-j252.6

802.2+j516.2

380.3+j51.3

89.8+j165.6

Tây Ninh Mỹ Phước

Cầu Bông Tân ĐịnhNhà Bè

NĐ.Sóc Trăng

NĐ.Ô Môn Thốt Nốt

Phú Lâm Đức Hoà

NĐ Kiến Lương

Củ Chi

600+j42.6

1000+j75.0

1167.8+j151.4

4x( 1000+j537.4

4912.4+j1790.2

2459.6+j762

505.7kV 511.3+j51.3

Hệ thống điện 500kV Miền Nam năm 2020 Mô hình truyền tải DC

NĐ Sơn Mỹ

Sông Mây Tân Định

Đồng Nai 3,4,5

Đăk Tik

Đăk Nông

Bắc Bình Đại Ninh

NĐ Cam Ranh

Dốc Sỏi Thạnh Mỹ

674.6-j21.4

226.9kV

4x(

515.2kV 719.2-j57.4

180+j6.5

499.7kV 600+j360.0 2x(

Yaly

PleiKu

Di Linh

510.4kV

232.8kV

1020.6-j336.9

356.6-j61

236.7kV 515.0kV

400.4-j144.8

510.0kV 237.7kV

970.4+j13.6 7500MW

974.3+j225.9

2348.1+j619.5

222.3kV

227.3kV 495.9kV

227.1kV

517.8kV

494.2kV

Se San 3, 3A, 4

34769MW 850MW Losses:

Pmax_MN:

Hình 8: Phân bố cơng suất lưới điện 500kV Miền Nam năm 2020-mơ hình HVDC

Như vậy cĩ thể thấy việc triển khai xây dựng quá nhiều trung tâm và truyền tải bằng nhiều đường dây 500kV cĩ thể sẽ khơng khả thi bằng việc xây dựng một hoặc hai trung tâm cơng suất lớn và sử dụng mơ hình truyền tải HVDC

Mơ hình HVDC sẽ nâng cao khả năng phục hồi ổn định hệ thống sau sự cố, đồng thời giảm chi phí xây dựng do khơng phải thực hiện đầu tư các nguồn điện rải rác Hình 8 trình bày kết quả tính tốn đối với mơ hình nguồn nhiệt điện tập trung và truyền tải về trung tâm phụ tải bằng hệ thống điện một chiều HVDC trong đĩ:

+ Xây dựng TTNĐ than Bình Định (5.200MW) và Cam Ranh (6.400MW)

+ Xây dựng trạm hai trạm biến đổi, cơng suất mỗi trạm là 9.000MVAr tại Cam Ranh và Tân Thành

+ TTNĐ than Bình Định đấu nối Cam Ranh bằng đường dây 500kV AC mạch kép dài 280km

+ Đấu nối giữa trạm chỉnh lưu tại TTNĐ than Cam Ranh với trạm nghịch lưu tại Tân Thành bằng 3 đường dây DC lưỡng cực ± 800kV, dài 320km

+ Từ trạm nghịch lưu Tân Thành truyền tải về trung tâm phụ tải bằng đường dây 500kV AC mạch kép Tân Thành - Mỹ Phước dài 28km và Tân Thành - Sơng Mây dài 18km

Với mơ hình HVDC, xem xét sự cố trầm trọng nhất là ngắn mạch 3 pha vĩnh cửu trên DZ 500kV AC từ NĐ Bình Định đi NĐ Cam Ranh, điểm sự cố gần trạm chỉnh lưu, với sự cố này tồn bộ 7500MW cung cấp cho Miền Nam bị mất trong khoảng thời gian sự

cố

Khảo sát dao động gĩc pha các tổ máy tại TTNĐ than Bình Định và TTNĐ than Cam Ranh cho thấy dao động tắt nhanh và đi về ổn định sau thời gian khoảng 20sec (hình 9)

Hình 9: Dao động điện áp, góc pha máy phát trường hợp sự cố vĩnh cữu

trên DZ 500kV NĐ Bình Định-NĐ Cam Ranh (đóng lặp lại khôngthành

công), điểm sự cố gần thanh cái 500kV NĐ Cam Ranh (RECTIFIER)

Hình 10: Dao động công suất DC tại đầu chỉnh lưu, góc cắt trước, góc kích trễ trường hợp sự cố vĩnh cữu trên DZ 500kV NĐ Bình Định-NĐ Cam Ranh (đóng lặp lại không thành công), điểm sự cố gần thanh cái 500kV NĐCam Ranh (RECTIFIER)

Quan sát các dao động góc điều khiển α và γ trong mô hình điều khiển CDC4 có thể thấy: trước khi sự cố giá trị góc kích trễ chỉnh lưu α=15.380, góc cắt trước nghịch lưu γ=16.760 Trong khoảng thời gian giữa hai lần sự cố, dao động α trong khoảng giá trị (4.980 , 21.350) và γ trong khoảng giá trị (14.920 ,16.960) Tại các thời điểm sự cố bộ điều khiển CDC4 sẽ kích khoá bằng cách phát xung điều khiển đặt α và γ đến 900 Với cách điều khiển này sẽ hạn chế được dao động công suất của hệ thống điện đấu nối sau trạm nghịch lưu và góp phần làm giảm dao động chung của toàn hệ thống

Nhận xét:

Đánh giá trên phương diện kỹ thuật:

Mô hình truyền tải HVDC đã nâng cao được công suất truyền tải, giảm tổn thất hệ thống, bên cạnh đó khảo sát liên quan đến vấn đề ổn định động đối với các trường hợp sự

cố trầm trọng cho thấy dao động góc của các máy phát cũng như công suất trong hệ thống với mô hình truyền tải DC giảm rất nhanh và đi về ổn định, trong khi đó hệ thống truyền tải với mô hình AC hình ảnh dao động góc máy phát kéo dài và có xu hướng mất ổn định Bên cạnh đó với việc truyền tải độc đạo bằng đường dây DC, sẽ giảm thiểu được

xác suất sự cố so với mô hình HVAC

Đánh giá trên phương diện kinh tế:

Với mô hình DC do chỉ cần tập trung xây dựng 2 trung tâm nhiệt điện than tại miền Trung và truyền dẫn cấp cho nhu cầu phụ tải bằng các đường dây DC nên khối lượng lưới điện đầu tư thấp hơn so với mô hình AC

Mô hình này là xây dựng nguồn điện tập trung nên rất thuận lợi cho triển khai đầu

tư cũng như rút ngắn được thời gian xây dựng do hạn chế được các phát sinh đền bù và yêu cầu hành lang tuyến Tính toán cho thấy nếu đầu tư xây dựng hàng loạt các NMĐ dọc khu vực Nam Trung Bộ truyền tải bằng cấp điện áp xoay chiều 500kV sẽ dẫn đến khối lượng đầu tư rất cao, chi phí xây dựng, giải phóng mặt bằng tăng nhiều hơn so với truyền tải DC

5 Kết luận

Phương án truyền tải cụm nhà máy ở khu vực Nam Trung Bộ bằng cấp điện áp xoay chiều 500kV, đặc biệt là truyền tải công suất từ các NMNĐ than ở khu vực miền Trung về miền Nam có khả năng phục hồi sau sự cố kém và không đáng tin cậy đối với các trường hợp sự cố 3 pha trên các đường truyền công suất lớn

Tập trung xây dựng một vài trung tâm NĐ than công suất lớn và truyền tải về trung tâm phụ tải bằng mô hình DC sẽ nâng cao khả năng truyền tải, giảm tổn thất Đặc biệt với mô hình truyền tải này đảm bảo nâng cao độ ổn định động của hệ thống điện Việt Nam cũng như giảm thiểu chi phí đầu tư xây dựng lưới điện

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Power System Stability And Control – PRABHA KUNDUR- Nhà xuất bản

McGraw-Hill, Inc, 1994

[2] PSS/E TM 30 – Volume I, II Program Application Guide – Power technologies, INC

[3] Hệ thống điện truyền tải và phân phối - Hồ Văn Hiến - Nhà xuất bản Đại học Quốc

Gia Tp Hồ Chí Minh

[4] Quy hoạch đấu nối các trung tâm nhiệt điện than Toàn Quốc vào hệ thống điện Quốc

gia- Tập 1, 2 tháng 11/2007: Viện Năng Lượng