nghiên cứu về truyền tải cao áp một chiều

Nhưng vấn đề không những phải truyền tải một công suất lớn với độ tin cậy và độ ổn định cao giữa các vùng miền xa hơn là giữa các quốc gia mà còn tính tới các giải pháp đồng bộ giữa các

Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ TRUYỀN TẢI MỘT CHIỀU CAO ÁP1.1 Đặt vấn đề

1.1.1 Tại sao phải truyền tải một chiều?

Trong công cuộc xây dựng và phát triển đất nước ngày càng hiện đại hóa, ngày nay cùng với việc đáp ứng nhu cầu năng lượng quốc gia mà còn cần phải nâng cao chất lượng, giảm tổn hao và tiết kiệm năng lượng và giảm giá thành sản phẩm đang là

xu thế phát triển mới đặc biệt là ngành điện một ngành công nghiệp quan trọng hàng đầu hiện nay

Để xây dựng ngành điện toàn diện bền vững đáp ứng các tiêu chí trên, cần có một hệ thống điện đủ lớn Hệ thống truyền tải phải tin cậy, ổn định nâng cao chất lượng điện năng Xu thế ngành năng lượng điện trong giai đoạn mới tập trung vào những điểm sau:

- Đa dạng hóa các nguồn năng lượng bằng việc xây dựng các nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo (như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng sinh khối, năng lượng sóng biển …)

- Thành lập thị trường điện

- Liên kết giữa các vùng, các quốc gia

- Do đặc thù của nguồn năng lượng sơ cấp lên các nhà máy điện nói chung và hầu hết các nhà máy điện chính được thiết kế xa phụ tải Như vậy vấn đề truyền tải đã một lượng công suất điện lớn đã được đặt ra từ lâu, có hai phương pháp chính thường được sử dụng là HVAC và HVDC để giải quyết bài toán trên Nhưng vấn đề không những phải truyền tải một công suất lớn với độ tin cậy và độ ổn định cao giữa các vùng miền xa hơn là giữa các quốc gia mà còn tính tới các giải pháp đồng bộ giữa các nguồn điện phân tán khác nhau hay các hệ thống điện có khác nhau về điện áp và tần số… Vì vậy vấn đề truyền tải HVDC hay UHVDC được nghiên cứu trong đồ án này

Vấn đề truyền tải HVDC đã được thực hiện từ thế kỷ 20 nhưng còn hạn chế nhiều mặt, không tạo ra được nhiều ưu điểm so với HVAC Cùng với sự phát triển của điện tử công suất và kỹ thuật công nghệ phát hiện đại các vấn đề còn vướng mắc

của truyền tải HVDC không còn trở ngại lớn và đang dần được khắc phục, mang lại các giải pháp cho những bài toán tối ưu hóa truyền tải điện năng đi xa.

Những đường truyền tải một chiều đầu tiên đã được xây dựng từ năm 1950 (ở Nga) với chiều dài 116km, điện áp 200 kV

Hiện nay trên thế giới có nhiều quốc gia đã xây dựng đường dây truyền tải một chiều, công suất đến 3000 MW ( Brazin, Canada ), chiều dài từ 64 km ( Anh ) đến

1700 km (Zaire ), điện áp từ 42 kV ( Mỹ ) đến ± 500 kV ( Mỹ, Ấn Độ )

Bảng 1.1: Một số đường dây truyền tải cao áp một chiều

HVDC Supplier Year Com Rating (MVDC Voltange (kV) Line and / or Cable (km) Location

2x125

Nelson River II

1985

900 1800

1979 1980

1993 cst

150 300 600

125 250

±250

HVDC Supplier Year Com Rating (MVDC Voltange (kV) Line and / or Cable (km) Location

Pac Intertie upgrade A 1984 2000 ± 500 1362 U.S.A

600 1200

Hình 1.1: So sánh chi phí giữa dòng xoay chiều với một chiều

1.1.2 Ưu nhược điểm của truyền tải một chiều

a) Lý do kinh tế

Điểm cân bằng

AC DC

- Suất đầu tư cho đường dây truyền tải một chiều thấp hơn xoay chiều do thiết kế cột của đường dây một chiều gọn nhẹ hơn Thông thường khi tính toán kinh tế đối với các dự án truyền tải, suất đầu tư cho đường dây một chiều bằng 0,8 lần đường dây xoay chiều cùng điện áp

- Hành lang tuyến của đường dây HVDC nhỏ hơn HVAC: Do thiết kế cột gọn nhẹ hơn, số mạch ít hơn và ảnh hưởng của điện trường tĩnh đến sức khỏe con người như từ trường trái đất và không cần được tính toán kỹ như đường dây xoay chiều lên hành lang tuyến của đường dây DC nhỏ hơn AC, chi phí cho đền bù , giải phóng mặt bằng thấp hơn

- Tổn thất công suất trên đường dây truyền tải của hệ thống DC thấp hơn AC cùng điện áp

- Chi phí đầu tư cho trạm chuyển đổi AC-DC và DC-AC cao hơn rất nhiều so với chi phí xây dựng trạm biến áp xoay chiều, chi phí này cần được bù đắp bởi chi phí giảm được của đường dây một chiều và tổn thất điện năng Khoảng cách càng dài thì truyền tải một chiều càng có lợi, từ đó xuất hiện một điểm cân bằng , tại đó 2 hệ thống DC và AC có tổng chi phí tương đương Điểm cân bằng thường được tính theo chiều dài và khoảng cách từ 600-800 km Đối với hệ thống HVDC sử dụng cáp vượt biển thì khoảng cách của điểm cân bằng ngắn hơn nhiều so với đường dây trên không

b) Lý do kỹ thuật:

- Đường dây cao ápmột chiều không có công suất phản kháng chỉ truyền tải công suất tác dụng nên không gặp các vấn đề về quá điện áp trên đường dây dài như hệ thống xoay chiều

- Liên kết 2 hệ thống không đồng bộ: Hệ thống HVDC có thể giúp trao đổi công suất giữa các hệ thống điện khác nhau về tần số, điều độ vận hành, thậm chí có thể liên kết giữa hệ thống điện mạnh với hệ thống điện yếu hơn nhiều mà không làm ảnh hưởng đến nhau

- Đối với những đường cáp biển có chiều dài trên 50km thì truyền tải bằng đường cáp xoay chiều là không khả thi, trong đó cáp HVDC có thể truyền tải hàng trăn km ( lên đến 600 km )

- Hệ thống HVDC có khả năng cách ly sự cố trên lưới và tăng độ ổn định hệ thống điện Nhiều hệ thống HVDC có khả năng phát ra công suất phản kháng độc lập với công suất tác dụng, do đó có tác dụng như nguồn áp, có thể cấp điện cục bộ cho những hệ thống điện yếu, tăng ổn định hệ thống điện.

* Ưu điểm:

- Tăng cường năng lực của điện lưới hiện tại trong trường hợp dây bổ sung là khó khăn hoặc chi phí để cài đặt

- Kết nối một nhà máy từ xa để tạo lưới điện phân phối

- Giảm chi phí HVDC cần dây dẫn ít và không cần hỗ trợ nhiều giai đoạn (bù dọc)

- Tạo thuận lợi cho truyền dẫn giữa các quốc gia khác nhau mà sử dụng điện

áp AC khác nhau về giá trị và tần số

- Đồng bộ hóa AC sản xuất bằng các nguồn năng lượng tái tạo

1.2 Quá trình phát triển của công nghệ truyền tải

1.2.1 Lịch sử phát triển công nghệ truyền tải điện

- Thomas Alava Edison (1847-1931) đã phát minh ra điện một chiều, hệ thống truyền tải điện đầu tiên là hệ thống dòng điện một chiều Tuy nhiên, ở điện áp thấp không thể truyền tải công suất điện một chiều đi khoảng cách xa Đầu thế kỷ 20 với sự phát triển của công nghệ máy biến áp và động cơ cảm ứng truyền tải điện xoay chiều dần trở lên phổ biến

- Năm 1929 các kỹ sư của công ty ASEA (Thụy Điển) đã nghiên cứu và phát triển hệ thống Valve hồ quang thủy ngân điều khiển mạng lưới đa diện cực sử dụng trong truyền tải điện một chiều với công suất và điện áp cao Các thử nghiệm đầu tiên được tiến hành tai Thụy Điển và Mỹ năm 1930 để kiểm tra hoạt động của cac Valve hồ quang thủy ngân trong quá trình chuyển đổi chiều truyền tải và thay đổi tần số

- Sau chiến tranh thế giới lần thứ hai, nhu cầu điện năng tăng cao đã khuyến khích nghiên cứu truyền tải điện một chiều, nhất là khi phải truyền tải công suất đi xa hoặc bắt buộc phải sử dụng cáp ngầm Năm 1950 đường dây truyền tải một chiều thử nghiệm điện áp 200kV, chiều dài 116 km được đưa vào vận hành Đường dây cao áp một chiều đầu tiên được đưa vào vận hành thương mại năm 1954 tại Thụy Điển, truyền tải 20 MW điện áp 100 Kv, chiều dài 98 km sử dụng cáp ngầm vượt biển nối giữa đảo và đất liền

- Công nghệ truyền tải điện một chiều luôn gắn liền với công nghệ điện tử công suất Những năm 1960 hệ thống Valve thể rắn trở thành hiện thực khi ứng dụng Thyristor vào truyền tải điện một chiều Năm 1972 các Vale thể rắn đã được ứng dụng lần đầu tiên tại Canada với công suất 320 MW điện áp 80 kV Điện áp vận hành lớn nhất hiện nay của đường dây truyền tải một chiều là 600 kV, truyền tải công suất

6300 MW, chiều dài 796 km

- Ngày nay truyền tải dòng điện một chiều điện áp cao là phần không thể thiếu trong hệ thống điện của nhiều quốc gia trên thế giới Truyền tải điện cao áp một chiều luôn được cân nhắc khi phải tải lượng công suất lớn đi khoảng cách xa, liên kết giữa các hệ thống điện không đồng bộ hoặc xây dựng đường cáp điện vượt biển Với lượng công suất đủ lớn, khoảng cách đủ xa, truyền tải cao áp một chiều sẽ chiếm ưu thế về chi phí đầu tư và tổn thất truyền tải so với dòng điện xoay chiều 3 pha truyền thống

1.2.2 Các thành tựu mới đạt được của công nghệ truyền tải điện

Từ những năm 1980 trở lại đây, sự phát triển của khoa học công nghệ đã làm cho công nghệ truyền tải điện điện có những bước tiến vượt bậc

a) Công nghệ siêu dẫn

- Công nghệ siêu dẫn nhiệt độ cao đang có xu hướng phát triển nhanh chóng Dây dẫn sử dụng vật liệu siêu dẫn chịu nhiệt có thể cho phép dẫn dòng lớn gấp 2-3 lần dây dẫn thường Vật liệu siêu dẫn hiện được sử dụng trong cáp điện, điện áp lên đến 138 kV Đường dây cáp siêu dẫn dài nhất hiện nay là 600 m, điện áp 138 kV tải

574 MVA

- Các đường dây trên không sử dụng dây nhôm lõi composite có thể thay thế dây nhôm lõi thép thông thường nhưng công suất truyền tải gấp 2 lần rất phù hợp cho việc cải tạo hệ thống truyền tải điện trong các thành phố lớn và những nơi hạn chế về hành lang tuyến

b) Xu hướng thu nhỏ quy mô hệ thống điện

- Ở khu vực Bắc Mỹ tổng công suất hệ thống liên kết phía Đông là 600.000

MW, công suất hệ thống liên kết phía Tây là 130.000 MW Khi một phía bị sự cố trên lưới sẽ có nhiều khả năng lan truyền sang phía bên kia Hiện đang có xu hướng chia

hệ thống lớn thành các hệ thống điện nhỏ hơn giúp cho việc quản lý vận hành tốt hơn Các hệ thống nhỏ sẽ liên kết với nhau bằng các đường dây cao áp một chiều

- Hiện nay công ty ABB của Thụy Sỹ đã phát triển thành công hệ thống truyền tải điện một chiều quy mô nhỏ cỡ vài chục MW ( HVDC Light ) với chi phí có thể chấp nhận được Hệ thống HVDC Light sử dụng công nghệ Transitor hai cực cổng cách ly (IGBT) có chi phí thấp hơn nhiều so với việc sử dụng Thyristor truyền thống Công nghệ IGBT còn sử dụng trong các trạm chuyển đổi có vai trò như nguồn áp, giúp giảm các sự cố hệ thống xoay chiều như dao động điện áp, sống hài, bù công suất phản kháng

c) Máy biến đổi tần số (VFT)

- Hãng GE Energy đã phát triển máy biến tần có khả năng thay đổi tần số và góc pha điện áp một cách liên tục Cùng với ứng dụng của HVDC, máy biến tần quay

có thể sử dụng để liên kết hai hệ thống điện không đồng bộ Hiện máy biến tần quay đang sử dụng để liên kết hai hệ thống điện không đồng bộ

- Ngoài liên kết các hệ thống không đồng bộ, hiện máy biến tần quay đang phát triển công nghệ ứng dụng truyền tải công suất giữa các hệ thống điện đồng bộ, trong trường hợp này VFT đóng vai trò như bộ điều chỉnh góc pha

d) Điều khiển dòng sự cố

- Cùng với sự gia tăng của quy mô hệ thống điện dòng ngắn mạch cũng tăng lên dẫn đến yêu cầu cần phải thay thế thiết bị đang vận hành Điều này đòi hỏi chi phí lớn Có một cách khác để không phải nâng cấp hay thay thế thiết bị đó là sử dụng các

bộ giơi hạn dòng sự cố ( Fault current limiter- FCL ) là sự phối hợp hoạt động giữa cuộn dây cảm kháng thấp và cáp siêu dẫn chịu nhiệt

- Các công ty sản xuất vật liệu điện siêu dẫn của Mỹ cũng đang phát triển loại cáp điện sử dụng bộ ổn định trở kháng cao Loại cáp này có đặc điểm khi ở trạng thái bình thường dòng điện được chạy trong lớp vật liệu siêu dẫn nhưng khi xảy ra sự cố

lớp trở kháng cao sẽ hoạt động và cách ly sự cố, khi hết sự cố lớp siêu dẫn lại hoạt động như bình thường.

- Nhìn chung sự phát triển của công nghệ điện tử công suất có ảnh hưởng rất lớn tới công nghệ truyền tải điện và quan niệm truyền tải Truyền tải điện 1 chiều đang dần được chú ý vì những ưu điểm trong cách ly sự cố xoay chiều, liên kết các hệ thống điện không đồng bộ, khả năng tải công suất lớn, ít hành lang tuyến và chi phí đầu tư ngày càng giảm

- Hiện nay công nghệ truyền tải điện 1 chiều đang được nỗ lực phát triển

1.2.3 Siêu cao áp một chiều

a) Dòng điện siêu cao áp một chiều giúp phát huy tiềm năng thủy điện

Khai thác năng lượng từ các nguồn tái tạo, từ sức mạnh tự nhiên của dòng nước, là một trong các niềm hy vọng mà thế giới, (đặc biệt là Trung Quốc và Ấn Độ), đang đặt vào nhằm đáp ứng nhu cầu điện năng trong tương lai, khi mà việc giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hoá thạch và cắt giảm phát thải cacbon điôxit ngày càng được chú trọng hơn

Tuy nhiên cho đến nay, vẫn có trở ngại đáng kể ngăn cản việc phát huy tiềm năng thuỷ điện, đó là khoảng cách Những nguồn thuỷ năng tốt nhất nhiều khi ở cách

xa các trung tâm dân cư và công nghiệp hàng mấy trăm kilômét, là nơi nhu cầu điện năng tăng trưởng mạnh nhất Cho tới tận gần đây, đưa điện năng từ các nhà máy điện vượt qua khoảng cách trên 1.000 km hoặc xa hơn vẫn là bất khả thi về kinh tế bởi tổn hao truyền tải là quá lớn

Công nghệ UHVDC hứa hẹn làm thay đổi tất cả những vấn đề đó, vì nó cho phép truyền tải có hiệu quả điện năng đi xa tới 3.000 km

Hình ảnh tia lửa phóng điện với điện áp trên 2000 kV, chiều dài hơn 10m

b) Nâng điện áp lên cao hơn nữa để giảm tổn hao

Công nghệ UHVDC nâng điện áp lên một bước đáng kể, từ mức HVDC tiêu chuẩn ±500 kV được sử dụng ở châu Á và đã được đưa vào áp dụng trên hai thập kỷ nay, lên ±800 kV, và giảm tổn thất truyền tải từ mức điển hình là 10% xuống còn 7%

Việc cắt giảm mạnh tổn thất truyền tải này – tương đương 192 MW đối với đường dây công suất 6.400 MW, tức là bằng 96 chiếc tuabin gió công suất 2 MW - khiến cho việc sản xuất điện năng tại những vùng xa xôi hẻo lánh ở Trung Quốc, Ấn

Độ, Braxin và châu Phi, giờ đây đã trở thành khả thi Đó là những vùng có các nguồn thuỷ điện khổng lồ cho đến nay vẫn chưa khai thác được

Các nước chính được hưởng lợi từ công nghệ UHVDC sẽ là Trung Quốc và Ấn

Độ bởi vì các quốc gia này đang phải vật lộn để đảm bảo nguồn năng lượng tin cậy

Ấn Độ có kế hoạch trong 10 năm tới sẽ xây dựng 5 đường dây UHVDC, công suất truyền tải mỗi đường dây từ 6.000 đến 8.000 MW Trung Quốc đang có kế hoạch trong 10 năm tới sẽ xây dựng mỗi năm một đường dây UHVDC, công suất mỗi đường dây từ 5.000 đến 6.400 MW Đường dây đầu tiên dự kiến sẽ đưa vào vận hành thương mại vào năm 2011 Ngoài ra ở Braxin và Nam châu Phi cũng có kế hoạch xây dựng các đường dây UHVDC 800 kV

Sử dụng công nghệ UHVDC hứa hẹn những lợi ích lớn lao Một mạch dẫn UHVDC 6.400 MW có thể cung cấp đủ điện đáp ứng nhu cầu cho khoảng 50 triệu người dân Ấn Độ, hoặc 14 triệu người dân Trung Quốc, nếu tính theo mức tiêu thụ trung bình đầu người ở các quốc gia này.

Hơn nữa, UHVDC tiết kiệm đáng kể về tài chính, khoảng 30%, so với công nghệ 500 kV một chiều hoặc công nghệ 800 kV xoay chiều truyền thống Sở dĩ tiết kiệm được như vậy là vì giảm được tổn hao đường dây và từ đó tiết kiệm được cho trạm biến đổi điện và thiết bị đóng cắt điện xoay chiều có liên quan

Một khoản tiết kiệm nữa không thể bỏ qua đối với UHVDC, đó là nhờ giảm đáng kể nhu cầu về hành lang tuyến, bởi vì khi đó có thể giảm xuống chưa bằng một nửa so với các phương pháp truyền tải điện thay thế Với UHVDC, chiều rộng của tuyến đường dây (tức là hành lang truyền tải) là nhỏ nhất Để truyền dẫn cùng một công suất, các phương pháp truyền tải truyền thống sẽ yêu cầu từ hai đường dây trở lên, hành lang truyền tải sẽ rộng hơn rất nhiều

Khác với đường dây truyền tải điện xoay chiều, đường dây HVDC có trường từ hầu như không dao động Điều đó có nghĩa là đường dây HVDC, khác với đường dây xoay chiều cùng cấp, có thể dễ dàng đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt hơn về trường

từ (<0,4 μT) được áp dụng ngày càng rộng rãi tại các thị trường phát triển

Cần lưu ý rằng cũng có thể nâng công suất truyền tải điện xoay chiều bằng cách sử dụng dòng công nghệ khác mang tên FACTS (flexible AC transmission system - hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt) Các công nghệ này có thể sử dụng để duy trì hoặc nâng cao độ ổn định điện áp và độ tin cậy lưới điện, giảm tổn thất chung về điện năng

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN TẢI MỘT CHIỀU CAO ÁP2.1 Nguyên lý truyền tải một chiều

Tại thời điểm Ua dương nhất thì T1,T6 dẫn

Ub dương nhất thì T3,T4 dẫn

Uc dương nhất thì T5,T2 dẫn

Các van thyristor làm việc như những chiếc khóa đóng mở, nó sẽ mở và dẫn dòng khi có xung kích hoạt vào cực Gate (IG > 0 ) và UAK > 0 Mỗi thyristor chỉ dẫn theo 1 chiều duy nhất và nó khóa khi UAK < 0 và IG = 0

Quá trình chuyển mạch:

Là qúa trình chuyển từ chỉnh lưu sang nghịch lưu của các bộ chuyển đổi công suất cao áp một chiều dựa trên quá trình chuyển mạch tự nhiên Các vale hoạt động như những thiết bị chuyển mạch sao cho điện áp xoay chiều đầu vào lần lượt được

đóng mở để có đầu ra là điện áp q chiều Đồng thời với quá trình chuyển mạch của bộ chuyển đổi ở 2 đầu ra trạm nghịch lưu đấu nối vào hệ thống AC pải là điện áp xoay chiều 3 pha sạch ( không sóng hài ).

Khi 1 vale được mở nó sẽ bắt đầu dẫn dòng trong khi vale tiếp theo có dòng giảm dần về 0 và đóng Trong quá trình chuyển mạch dòng điện sẽ lần lượt chạy qua đồng thời 2 vale xác định Dòng điện chạy qua vale không thể thay đổi đột ngột vì sự chuyển mạch phải qua cuộn dây máy biến áp Điện kháng của cuộn đây máy biến áp đóng vai trò là điện kháng chuyển mạch Trong quá trình chuyển mạch, dòng điện không phải hình sin sẽ được sinh ra ở bộ chỉnh lưu, đồng thờikhông hình sin cũng sẽ cung cấp cho hệ thống xoay chiều phía nghịch lưu

Cả 2 trường hợp này dòng điện đều chậm pha hơn so với điện áp xoay chiều Các dòng điện không sin này gồm cả dạng sóng tần số cơ bản và các sóng hài có tần

số cao hơn Các sóng hài cần phải được loại bỏ khi vào hệ thống điện xoay chiều Điều này được thực hiện nhờ các bộ lọc phía xoay chiều, cho phép điện áp ra hầu như không có sóng hài(ULr, ULi) Đối với đường dây liên kết 1 chiều sử dụng phương thức chuyển mạch tự nhiên thì dòng công suất chỉ có thể truyền theo 1 hướng cùng với hướng của dòng điện Các Valve chỉ cho phép dẫn dòng theo 1 chiều nhất định Hướng công suất chỉ có thể đổi chiều khi thay đổi cực tính của điện áp 1 chiều Để có phương thức vận hành trao đổi công suất theo 2 chiều (tức là chuyển đổi vai trò của

bộ chỉnh lưu và nghịch lưu) thì cần tác động vào hệ thống điều khiển xung kích hoạt valve ở cả 2 đầu chỉnh lưu

Qúa trình nghịch lưu: Làm việc vơi góc mở 900 < α < 1800

Hệ thống điện xoay chiều 3 pha của lưới điện sau MBA sẽ cung cấp điện áp xoay chiều 3 pha đặt lên các vale của bộ nghịch lưu Điện áp xoay chiều này sẽ đặt lên thyristor các điện áp thuận và điện áp ngược gây ra quá trình chuyển mạch giữa các vale giống như là phía chỉnh lưu Điều kiện để các vale mở và dẫn dòng là giá trị tuyệt đối của điện áp trên đường dây 1 chiều phải lớn hơn trị số tuyệt đối của trị trung bình điện áp chuyển mạch phía nghịch lưu

2.1.2 Cấu hình hệ thống HVDC

Các kết nối DC được phân làm ba loại chính:

•Kết nối đơn cực

•Kết nối lưỡng cực

•Kết nối đồng cực

a) Cấu hình đường dây và trạm chuyển đổi

Căn cứ vào hiệu quả tối ưu trong từng trường hợp cụ thể, các cầu chỉnh lưu HVDC và đường dây truyền tải có thể được lựa chọn xắp xếp theo 1 trong 2 cấu hình: đơn cực và lưỡng cực

- Cấu hình đơn cực (Monopolar configuration):

Cấu hình cơ bản của một kết nối đơn cực được trình bày trong hình H.2.2 Hệ thống này dùng một dây dẫn, thường có cực tính âm Đường trở về có thể dùng đất hay nước Các khảo sát về chi phí thường đi đến việc dùng hệ thống này nhất là truyền tải bằng cáp ngầm Cấu hình này là giai đoạn thứ nhất của việc phát triển sang cấu hình lưỡng cực

Hình 2.2: Cấu hình đơn cực

Thay vì dùng đường trở về qua đất, có thể dùng đường trở về bằng kim loại trong trường hợp điện trở đất quá lớn và có thể gây nhiễu loạn đến các công trình ngầm bằng kim loại khác Dây dẫn kim loại tạo đường về có điện áp thấp

Kết nối lưỡng cực được trình bày trong H 2.3 Kết nối này có hai dây, một dương và một âm Mỗi đầu có đều có bộ biến đổi có điện áp định mức bằng nhau mắc nối tiếp về phía điện một chiều Điểm nối giữa hai bộ biến đổi được nối đất Lúc bình thường, dòng điện trên hai cực bằng nhau, dòng qua đất bằng không Hai cực có thể vận hành độc lập nhau Nếu một cực bị cô lập do sự cố trên dây dẫn, cực kia vẫn có thể hoạt động với đất là đường trở về và mang một nửa tải

Hình 2.3 : Cấu hình đơn cực, sử dụng bộ chỉnh lưu 12 xung

Trong sơ đồ đơn cực, chỉ cần 1 đường dây dẫn điện nối giữa 2 trạm chuyển đổi, dòng về qua đất Mỗi đường dây trên không 500kV DC hiện nay có khả năng tải 1500 MW Sơ đồ này có ưu điểm gọn nhẹ, chi phí đường dây ít, có thể

mở rộng sang cấu hình 2 cực, tuy nhiên, sơ đồ đơn cực có độ tin cậy cung cấp điện không cao

- Cấu hình lưỡng cực (bipolar configuration):

Hình2.4: Cấu hình lưỡng cực, sử dụng bộ chỉnh lưu 12 xung

Trong cấu hình lưỡng cực (hai cực âm – dương), các trạm chuyển đổi được nối với nhau bởi 2 dây dẫn có điện thế trái dấu, điểm trung tính được nối đất

Ở cấp điện áp ± 500 kV, khả năng tải của đường dây trên không một chiều hiện nay khoảng 3000 MW

Theo quan điểm chống sét, đường dây lưỡng cực được xem như hiệu quả tương đương với đường dây xoay chiều hai mạch Trong vận hành bình thường có ít nhiễu do họa tần đến các công trình lân cận so với đường đơn cực Việc đảo chiều công suất được thực hiện bằng cách thay đổi cực tính của hai cực thông qua điều khiển

Trong trường hợp dòng điện tản qua đất không được thuận lợi hay không thực hiện tốt việc nối đất do điện trở đất quá cao thì có thể dùng một dây dẫn thứ ba làm đường trở về cho dòng điện khi có một cực ngừng hoạt động hoặc khi có sự không cân bằng lúc vận hành hai cực Dây dẫn thứ ba yêu cầu mức cách điện thấp

và còn được dùng làm dây bảo vệ chống sét đối với đường dây trên không

Ưu điểm của cấu hình này là tính phổ biến, có độ tin cậy cung cấp điện cao, công suất truyền tải lớn Hầu hết các đường dây truyền tải 1 chiều hiện nay đều là đường dây lưỡng cực, khi sự cố 1 mạch thì hệ thống hoạt động như cấu hình đơn cực, dòng về qua đất

Nhược điểm là chi phí xây dựng đường dây và trạm chuyển đổi cao hơn cấu

Vì các bộ biến đổi nằm tập trung nên thuận lợi cho việc điều khiển bảo dưỡng thiết bị.

2- Kiểu truyền tải giữa 2 trạm:

Được sử dụng khi phương án xây dựng đường dây truyền tải cao áp 1 chiều

tỏ ra kinh tế nhất khi đấu nối 2 trạm chuyển đổi ở 2 vị trí cách xa nhau Đây là kiểu truyền tải 1 chiều phổ biến nhất hiện nay Mỗi mạch đường dây một chiều ±500 kV (2 cực – bipole) có khả năng tải khoảng 3000 MW, thông thường sử dụng đường dây trên không, tải lượng công suất lớn đi khoảng cách rất xa Các đường cáp ngầm cao áp một chiều thường dùng để truyền tải điện qua biển

Loại cáp phổ biến nhất là cáp dầu (oil-filled cable) và cáp đặc (solid cable) Trong nhiều trường hợp, cáp đặc sẽ kinh tế hơn vì chất cách điện được cấu tạo

từ các lớp giấy tẩm dầu có độ nhớt cao Ngày nay có thể thiết kế cho cáp đặc ở

độ sâu khoảng 1000m và không gặp giới hạn về khoảng cách Loại cáp dầu có chất cách điện là dầu có độ nhớt thấp điền đầy trong cáp và luôn làm việc với 1

áp suất nhất định Khoảng cách lớn nhất cho loại cáp dầu khoảng 60 km

Đối với khoảng cách rất dài và đặc biệt là truyền tải điện năng ra biển, với một đường truyền tải và khép mạch qua điện cực mặt đất / biển sẽ là giải pháp khả thi nhất.

Trong nhiều trường hợp, cơ sở hạ tầng hiện có hoặc hạn chế môi trường khó khăn trong việc sử dụng các điện cực đất Trong trường hợp này sử dụng mô hình thứ

2 dùng một đường cáp kim lại nhỏ hơn để khép mạch mặc dù tăng chi phí và tổn thất

3- Kiểu truyền tải giữa nhiều trạm:

Khi có từ 3 trạm chuyển đổi trở lên ở các vị trí địa lý khác nhau đấu vào cùng một hệ thống 1 chiều, có thể đấu nối tiếp hoặc song song Khi tất cả các trạm có cùng điện áp đấu nối thì gọi là kiểu đấu song song, sử dụng khi công suất trạm lớn hơn 10% tổng công suất trạm chỉnh lưu Nếu một hoặc nhiều bộ chuyển đổi được đấu nối tiếp vào một hay cả 2 cực thì ta có kiểu đấu nối tiếp, ứng dụng khi công suất trạm nhỏ hơn 10% tổng công suất trạm chỉnh lưu Chi phí dành cho các trạm thêm vào là rất lớn, do đó kiểu truyền tải nhiều trạm rất khó đạt được các chỉ tiêu kinh tế

4- Kiểu nối bộ tổ máy:

Hệ thống truyền tải 1 chiều được đấu nối vào ngay đầu ra của máy phát

điện, thích hợp với các máy phát thủy điện và tua bin gió vì có thể đạt hiệu suất cao nhất Điện năng xoay chiều nhận được phía nghịch lưu sẽ có tần số cơ bản

50 Hz (hoặc 60 Hz) không phụ thuộc vào tốc độ tuabin

5- Kiểu chỉnh lưu Diode:

Ứng dụng khi công suất điện 1 chiều chỉ truyền theo 1 hướng duy nhất, hệ thống Valve chỉnh lưu chỉ cần dùng Diode thay vì Thyristor, công suất truyền tải sẽ được điều khiển ở phía Nghịch lưu, đặc biệt có lợi đối với kiểu nối bộ tổ máy phát

vì có thể điều khiển dòng công suất dựa vào điều khiển điện áp xoay chiều thông qua hệ thống kích từ máy phát Kiểu đấu nối này cần sử dụng loại máy cắt xoay chiều tốc độ cao giữa máy phát và bộ chỉnh lưu để bảo vệ quá dòng cho Diode khi

có ngắn mạch trên đường dây 1 chiều

Hình 2.5 : Các kiểu đấu nối hệ thống truyền tải điện 1 chiều

2.1.4.Các phần tử cơ bản của hệ thống truyền tải một chiều

Các phần tử chính của hệ thống HVDC được trình bày trong hình (H.2.6)

Hình2.6: Sơ đồ nguyên lý hệ thống HVDC lưỡng cực, các phần tử chính

Bộ biến đổi: Biến đổi AC/DC (chỉnh lưu) hay DC/AC (nghịch lưu), gồm

các van mắc cầu và máy biến áp có đầu phân áp Cầu van gồm các van cao áp mắc theo sơ đồ 6 xung hay 12 xung Các máy biến áp biến đổi cung cấp nguồn điện áp ba pha với điện áp thích hợp cho cầu các van Với cuộn dây máy biến

áp phía van không nối đất, hệ thống điện một chiều có thể được tạo nối đất riêng, thường là bằng cách nối đất đầu dương hay đầu âm của một cầu bộ biến đổi van

Vale thyristor: Cấu trúc của vale thyristor tùy thuộc vào ứng dụng và nhà sản xuất, thường thì vale thyristor có cấu trúc 12 xung, ba nhóm 4 vale Mỗi vale thyristor gồm 1 số thyristor nhất định nối tiếp cùng với mạch phụ của chúng ( mạch điều khiển, bảo vệ, …) Giao tiếp giữa thiết bị điều khiển ở điện áp thấp và mỗi thyristor ở điện áp cao bằng cáp quang Các vale được làm mát bằng nước, dầu, khí hay Freon

Hình 2.7: Cấu hình nhóm vale

Máy biến áp: chuyển đổi tương ứng mức điện áp AC thành DC và chúng góp phần vào điện kháng chuyển mạch, thường dùng loại đơn pha 3 cuộn dây tùy thuộc vào công suất và yêu cầu vận chuyển

Hình 2.8: a) MBA HVDC truyền tải ngầm 500 MW

b) MBA 2000MW điện áp 500kV

Cuộn kháng bằng phẳng: Đây là các cuộn kháng lớn có điện cảm đến 1 H

mắc nối tiếp với mỗi cực của mỗi trạm biến đổi Công dụng của chúng bao gồm:

• Giảm các họa tần điện áp và dòng điện trên đường dây một chiều;

• Tránh sự cố chuyển mạch trong nghịch lưu;

• Tránh dòng điện trở nên không liên tục khi mang tải thấp;

• Giới hạn dòng điện trong chỉnh lưu khi xảy ra ngắn mạch trên đường một chiều

Bộ lọc họa tần: Bộ biến đổi sinh ra họa tần điện áp và dòng điện ở cả hai

phía xoay chiều và một chiều Họa tần gây phát nóng tụ điện và máy phát gần đó, còn gây nhiễu lên hệ thống thông tin Mạch lọc do đó phải được dùng ở cả hai phía một chiều và xoay chiều

Nguồn cung cấp công suất kháng: Như trình bày ở các mục kế tiếp, bộ biến

đổi một chiều thực chất có tiêu thụ công suất kháng Trong vận hành bình thường, lượng công suất kháng tiêu thụ bằng khoảng 50% lượng công suất tác dụng tải qua Trong tình trạng quá độ yêu cầu về công suất kháng có thể nhiều hơn Đối với hệ thống xoay chiều lớn, công suất kháng được tạo ra bằng tụ bù ngang Phụ thuộc vào yêu cầu đặt ra cho kết nối một chiều và trên hệ thống xoay chiều mà một phần nguồn công suất kháng có thể là máy bù đồng bộ hay máy bù tĩnh Các tụ điện trong mạch lọc cũng cung cấp một phần công suất kháng yêu cầu

Điện cực: Phần lớn các trạm HVDC dùng đất làm vật dẫn trung tính trong một

thời gian ngắn Kết nối với vật dẫn đất cần một bề mặt rộng để tối thiểu bề mật độ dòng và giảm điện áp bề mặt Để giới hạn dòng điện chảy vào đất dùng vật dẫn kim loại cho dòng trở về Dùng điện cực đất là phương án rẻ nhất

Điểm trung tính phía bên cuộn dây đấu sao MBA chuyển đổi được nối vào điểm trung tính của trạm Do dòng DC trên 2 cực trong trạm HVDC lưỡng cực không cân bằng nhau, thay vì điều khiển cân bằng dòng thì cho dòng chảy vào đất từ điểm trung tính của trạm Điểm trung tính nối đất của trạm thường được đặt ở xa trạm khoảng 10 – 50 km bằng các điện cực đất đặc biệt

Thiết kế các điện cực đất: Điện cực Anode và Cathode được thiết kế khác nhau trong hệ thống truyền tải HVDC cáp ngầm dưới biển.

Điện cực đất nằm ngang: Bề mặt diện tích đất đủ rộng, bằng phẳng, chất đất tương đối đồng nhất, điện cực đất nằm ngang là dạng kinh tế nhất

Hình 2.11: Mặt cắt của điện cực

Thiết kế và xây dựng các điện cực Cathode ngầm dưới biển cho hệ thống HVDC đơn cực cáp ngầm không có bất kỳ trở ngại nào do không có sự ăn mòn kim loại

Chiều dài cáp được thiết kế sao cho mật độ dòng trên bề mặt của nó gây ra 1 điện trường < 3 V/m, an toàn cho người bơi lặn trong vùng nước xung quanh

Một điện cực ngầm dạng đường thẳng cho vận hành Anode Các module điện cực được làm sẵn và được đặt thấp hơn đáy biển sau đó nối vào feed cáp Các điện cực ngầm được phân thành các khu và được nối vào trạm HVDC bằng feed cáp riêng biệt khi đó từ đất liền có thể giám sát được các điện cực

Hình 2.12: Mặt cắt điện cực

Đường dây một chiều: Là đường dây trên không hay cáp ngầm Ngoại trừ số

dây dẫn và khoảng cách giữa các dây, đường dây DC trông rất giống đường dây AC

Máy cắt điện xoay chiều: Để loại trừ sự cố trong máy biến áp cũng như để

đưa kết nối DC ra khỏi vận hành, máy cắt được đặt ở phía xoay chiều Chúng không dùng để giải trừ sự cố phía một chiều vì những sự cố này có thể được loại trừ nhanh chóng bằng cách điều khiển bộ biến đổi

2.1.5 Bộ biến đổi và các phương trình

2.1.5.1 Mạch biến đổi

Bộ biến đổi thực hiện biến đổi AC/DC hay ngược lại và cung cấp phương tiện để điều chỉnh dòng công suất qua đường HVDC (H.14.5.) Các phần tử là cầu van điện tử và máy biến áp biến đổi

là một trong những yếu tố quan trọng để chọn các thông số định mức của van

2.5.2 Phân tích mạch cầu toàn sóng ba pha

* Các giả thiết:

- Hệ thống xoay chiều bao gồm máy biến áp biến đổi được biểu diễn bằng một nguồn áp lý tưởng có điện áp, tần số không đổi nối tiếp với điện kháng tản của máy biến áp

- Khi dẫn, dòng điện qua van là Id.

- Dòng điện trong mỗi pha phía nguồn xoay chiều gồm các dòng điện chạy qua hai van có nối với pha đó

Hình 2.2.3(a) trình bày dạng sóng điện áp và dòng điện với các van được đánh số theo thứ tự kích dẫn Van 1 dẫn khi t trong khoảng –1200 đến 00, van 2

dẫn khi t giữa –600 và 600 H.2.2.3(b) cho thấy chu kỳ dẫn của các van, độ lớn

và thời gian (góc) dòng điện đi qua Dòng điện trong pha a của nguồn xoay chiều (trong cuộn dây nối nguồn xoay chiều) của máy biến áp được trình bày trong 2.2.3(c)

Hình2.1.3: Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch cầu

a) Điện pha và điện áp dây của nguồn xoay chiều

b) Dòng điện qua các van và chu kỳ dẫn

c) Dòng điện pha a

Điện áp DC trung bình cho bởi công thức :

Vdo = Em = 1.65 Em (2.3 )

Em: Trị số đỉnh của điện áp pha

Tính theo điện áp hiệu dụng pha ( ELN ) và điện áp dây hiệu dụng ( ELL )

Vdo = ELN = 2.34 ELN (2.3a)

= ELL = 1.35 ELL (2.3b )

b) Với góc kích trễ

Gọi α là góc kích trễ tương ứng với thời gian trễ giây Góc trễ giới hạn bằng

1800

Điện áp trung bình Vd khi có góc trễ :

Vd = Vdo cos (2.4 )

Vì có thể thay đổi từ 0 đến 1800, cos thay đổi từ –1 đến 1, Vd thay đổi từ –

Vdo đến Vdo

Số âm của Vd ứng với chế độ nghịch lưu.

Hình 2.1.4: Dạng sóng điện áp và dòng điện qua các van với góc kích trễ

c) Các quan hệ về dòng điện và góc pha

Khi góc trễ tăng, góc lệch pha giữa điện áp và dòng xoay chiều cũng thay đổi Điều này được minh họa trong H.2.11 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 giả thiết không đổi bằng Id (cuộn kháng Ld trong H.2.8 làm cho Id không thay đổi) Vì mỗi van dẫn trong trong khoảng thời gian ứng với 1200 điện, dòng điện xoay chiều của đường dây bao gồm các xung chữ nhật có biên độ bằng Id và kéo dài 1200 hay 2 3 rad (H2.12)

Với giả thiết không có chồng chập chuyển mạch thì dạng của dòng điện dây xoay chiều độc lập với

Trị số đỉnh của thành phần tần số cơ bản của dòng điện xoay chiều đường dây:

(3ELN Id)cos = ( ELNId)cos

Suy ra: cos = cos (2.6)

Bộ biến đổi hoạt động như một thiết bị biến đổi dòng xoay chiều ra một

chiều (hay ngược lại) sao cho tỷ số dòng điện không đổi trong khi tỷ số điện áp thay đổi tùy theo góc kích (xem (2.3), (2.4) và (2.5)).

Hình 2.1.5: Sự thay đổi góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện theo góc kích trễ

Hình 2.1.6: Dạng sóng dòng điện dây 2.1.7 Ảnh hưởng của góc chồng chập chuyển mạch

Do điện cảm LC của nguồn xoay chiều, dòng điện trong các pha không thể thay đổi tức thời Sự chuyển tiếp dòng điện từ pha này sang pha khác đòi hỏi một thời gian nhất định gọi là thời gian chuyển mạch hay thời gian chồng chập Góc chuyển mạch (góc chồng chập) ký hiệu là µ

Trong vận hành bình thường, góc chồng chập nhỏ hơn 600, trị số tiêu biểu lúc đầy tải thay đổi từ 150 đến 250 Với 00 < µ < 600, trong thời gian chuyển mạch có ba van dẫn đồng thời, tuy vậy giữa các lần chuyển mạch chỉ có hai van

dẫn Một lần chuyển mạch bắt đầu ở mỗi 600 và kéo dài một góc µ Do đó góc khi hai van dẫn điện với góc kích trễ = 0 là 600 – µ Trong mỗi thời kỳ chuyển mạch, dòng điện trong van được đưa vào dẫn điện tăng từ 0 đến Id trong khi dòng điện trong van sắp ngưng dẫn điện giảm từ Id về 0 Sự chuyển mạch bắt đầu khi t = và chấm dứt khi t = +µ = , gọi là góc tắt (extinction angle)

Rc được gọi là điện trở chuyển mạch tương đương biểu diễn cho sụt

áp do chuyển mạch chồng chập, không là điện trở thực và không tiêu thụ công suất

2.1.8 Chế độ chỉnh lưu

Mạch tương đương của chỉnh lưu cầu dựa trên phân tích ở trên được trình bày trong H.2.13; dạng sóng điện áp và chu kỳ dẫn trong H2.14a