Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng cực

Nghiên cứu đặc tính hệ thống hvdc - plus 400 mw ± 200kv kiểu lưỡng cực

Nội dung yêu cầu:

- Tổng quan về hệ thống HVDC

- Tổng quan về hệ thống HVDC-PLUS dùng bộ biến đổi đa mức cấu trúc moduleMMC

- Tính toán thông số mạch lực mô hình hóa thiết kế hệ thống điều khiển

- Mô phỏng kiểm nghiệm các chế độ làm việc

Những nội dung đã thực hiện

Chương 1: Tổng quan về HVDC: lịch sử hình thành,các lợi ích của hệ thống HVDC sovới HVAC Cấu hình hệ thống HVDC các bộ biến đổi ,phương thức truyền dẫn Giớithiệu về hệ thống HVDC-Plus của Siemens

Chương 2: Giới thiệu cấu trúc HVDC dùng cấu trúc MMC Nguyên lý hoạt động của bộbiến đổi trên cơ sở hoạt động của cấu trúc SM kiểu nửa cầu Phân tích nguyên lý hoạtđộng mô hình toán học của bộ biến đổi Trình bày các phương pháp điều chế cho MMCChương 3: Giới thiệu bộ biến đổi HVDC-PLUS cấu trúc lưỡng cực của Siemens Tínhchọn thông số các thành phần cơ bản,mô hình hóa đưa ra cấu trúc điều khiển

Những việc chưa làm và cần thực hiện tiếp theo:

Xác định cấu hình điều khiển ,tính toán thông số các bộ điều khiển

Tiến hành mô phỏng ở các chế độ làm việc của bộ biến đổi trên PSCAD

Contents

Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều HVDC

1.1Lịch sử hình thành

Trong xu thế hình thành và phát triển thị trường điện thế giới,ngày càng nhiều công tyđiện lực tiến hành hiện đại hóa mạng lưới phân phối theo hướng áp dụng công nghệmới,đặc biệt là điện tử công suất thế hệ mới do những lý do sau

- Xuất hiện các phụ tải mới yêu cầu cao hơn về phụ tải truyền thống và chất lượngđiện năng

- Giá trị thiệt hại do mất điện đòi hỏi độ tin cậy cao hơn

- Xu hướng lông ghép các nhà máy điện ,đặc biệt các nhà máy điện sử dụng nănglượng tái tạo

- Công nghệ điện tử công suất mới bộ biến đổi nguồn áp đã đủ chin muồi để ápdụng vào thực tiễn

- Các yêu cầu khắt khe hơn hơn từ cơ quan quản lý điện lực và thách thức nẩy sinhtrong quá trình điều tiết tạo điều kiện cho các dịch vụ hỗ trợ trong ngành điệnChính vì nhưng nguyên nhân trên HVDC đang là một công nghệ hấp dẫn và được đánhgiá là công nghệ phát triển cho tương lai.HVDC là hệ thống truyền tải điện năng,sử dụngdòng một chiều để truyền tải công suất Nó có nhiều ưu điểm so với hệ thống truyền tảixoay chiều đã phổ biến: đảm bảo an ninh năng lượng, tiết kiệm Hiện nay HVDC đangđược sử dụng rộng rãi trên nhiều nước trên thế giới và trở thành một phần quan trọng củanhiều hệ thống truyền tải điện Đường dây HVDC thương mại đầu tiên được xây dựngvào năm 1954,là một tuyến cáp ngầm nối giữa đảo Gotland của Thụy Điển và đất liền.Thời gian này các hệ thống truyền dẫn được điều khiển bằng van hồ quang - thủy ngân.Với sự phát triển của thiết bị điện tử công suất và các van bán dẫn vào cuối những năm

1960 công nghệ dựa trên van thyristor lần đầu tiên được thử nghiệm ở Gotland vào năm1967,và sau đó được phổ biến quy mô lớn ở Canada với công suất định mức 320MW.Hiện nay bộ biến đổi nguồn dòng (CSC) dựa trên công nghệ các van thyristor được sửdụng ở phần lớn các hệ thống HVDC trên toàn thế giới và một trong những hệ thống lớnnhất là Three Gorges-Shanghai với công suất định mức 3000MW, điện áp một chiều -500kV Hệ thống CSC-HVDC còn được gọi HVDC Classic(ABB)

Trong thời gian cuối những năm 1990 sự phát triển của các chất bán dẫn cho thiết bị điện

tử công suất đã dẫn đến sự ra đời của các loại van IGBT , GTO và chúng đã được ứngdụng cho bộ biến đổi nguồn áp (VSC) Hệ thống truyền tải thương mại VSC-HVDC lầnđầu tiên được đưa vào hoạt động vào năm 1999 ở đảo Gotland bằng cáp ngầm với công

suất 50MW Hệ thống VSC-HVDC còn được gọi là HVDC Light(ABB) hoặc HVDCPLUS (Siemens) Những năm gần đây sự phát triển ngày càng cao của các thiết bị điện tửcông suất đã phát triển công nghệ VSC Công suất định mức của hệ thống này ngày càngđược nâng cao, công suất có thể lên tới 1100MW,điện áp một chiều 300kV và còn tiếptục phát triển

1.2 So sánh giữa HVDC và HVAC

1.2.1 đánh giá trên phương diện kinh tế

Chi phí của đường dây truyền tải bao gồm các nguồn đầu tư cho cơ sở hạ tầng thực tế giải(phóng mặt bằng,cột điện,dây dẫn,cách điện và thiết bị đầu cuối) và các chi phí phát sinhcho quá trình hoạt động ( tổn thất) Cho rằng yêu cầu cách điện tương tự nhau đối vớicùng một mức điện áp xoay chiều và một chiều,đường dây một chiều có thể truyền dẫncông suất lớn hơn với hai dây dẫn thay cho ba đối với truyễn dẫn xoay chiều với cùngkích thước Vì thế với một mức công suất nhất định ,đường dây một chiều đòi hỏi hànhlang hẹp hơn,cột điện đơn giản và rẻ hơn,giảm chi phí dây dẫn và cách điện

Hình 1.1 so sánh giữa truyền dẫn AC và DC với cùng công suất 2000MW

Với đường dây truyễn dẫn một chiều,vì chỉ có hai dây dẫn(truyền tải cùng một công suấtvới truyền dẫn xoay chiều),tổn thất truyền tải giảm chỉ còn bằng hai phần ba so vớitruyền dẫn xoay chiều Hiệu quả của dây DC không cần vỏ bọc là tổn thất điện năng rất ít

và tổn thất trong trường hợp dùng cáp cũng rất ít do truyễn dẫn điện một chiều

Các yếu tố khác ảnh hưởng đến giá trị đường dây là chi phí đền bù và các thiết bị đầucuối Truyền dẫn một chiều không cần bù công suất phản kháng chi phí các thiết bị đầucuối tăng lên do cần các bộ biến đổi và bộ lọc

Hình 1.2 cho thấy sự thay đổi của chi phí của truyền tải xoay chiều và truyền tải mộtchiều với cùng khoảng cách AC có xu hướng tiết kiệm hơn DC với khoảng cách nhỏ hơn

“khoảng cách hòa vốn” nhưng lại đắt tiền hơn với khoảng cách xa hơn Khoảng cách hòavốn có thể khác nhau khoảng từ 400-700km đối với đường dây trên không tùy thuộc mỗiđơn vị chi phí đường dây Với hệ thống dùng cáp khoảng cách hòa vốn nằm giữa 25-50km

Hình 1.2 So sánh giưa đường dây AC/DC

1.2.2 đánh giá trên phương diện kỹ thuật

Do khả năng điều khiển nhanh chóng,một truyễn dẫn một chiều có thể hoàn toàn điềukhiển công suất truyền đi,tăng cường sự ổn định và tính năng động khi liên kết với mạngxoay chiều và có thể hạn chế dòng sự cố trong đường dây DC Hơn nữa truyễn dẫn DCkhắc phục một số vấn đề sau đây liên quan đến truyễn dẫn AC

• Giới hạn ổn định

Việc truyền công suất trong đường dây AC phụ thuộc vào sự khác biệt góc pha giữa điện

áp pha ở hai đầu đường dây Đối với một công suất nhất định thì góc pha tăng theokhoảng cách Công suất tối đa truyền được giới hạn bởi những cân nhắc về trạng thái ổnđịnh và ổn định thoáng qua Khả năng mang công suất của đường dây AC tỉ lệ nghịch vớikhoảng cách truyền dẫn trong khi khả năng mang công suất của đường DC không bị ảnhhưởng bởi khoảng cách truyền dẫn

• Điện áp điều khiển

Điều khiển điện áp trong đường dây AC thì rất là phức tạp do dòng nạp và sụt điện áp.Biên dạng điện áp trong đường dây AC là tương đối bằng phẳng chỉ với một mức côngsuất truyền dẫn cố định tương ứng tải trở kháng sóng xung Các biên dạng điện áp khácnhau tương ứng với đường dây tải khác nhau Đối với điện áp không đổi ở hai đầu đườngdây,điện áp trung điểm làm giảm tải đường dây cao hơn so với SIL và tăng tải ít hơn SIL.Việc duy trì điện áp hằng số ở hai đầu đường dây đòi hỏi điều khiển công suất phảnkháng khi tải đường dây tăng lên công suất phản kháng tăng lên tỉ lệ thuận với chiều dàiđường dây Mặc dù các các trạm biến đổi DC yêu cầu công suất phản kháng liên quanđến công suất truyền tải Bản thân đường dây truyền tải DC không yêu cầu công suấtphản kháng Trạng thái ổn định của dòng nạp trong cáp AC đặt ra vấn đề nghiêm trọng vàlàm khoảng cách hòa vốn khoảng chừng 50km đối với sử dụng cáp

trong trường hợp truyền tải DC,sự bù đó là không cần thiết

• Vấn đề của mạng AC nối liền nhau

Việc kết nối hai hệ thống công suất thông qua liên kết AC yêu cầu điều khiển sự phátđiện tự động của cả hai hệ thống phối hợp sử dụng đường nối công suất và tín hiệu tần số.Ngay cả việc điều khiển phối hợp giữa các hệ thống kết nối với nhau hoạt động của cácmỗi liên kết xoay chiều vẫn có thể có vấn đề do:

 Tăng nguy cơ lỗi

 Truyền tải nhiễu động từ hệ này sang hệ thống khác

Khả năng điều khiển nhanh chóng dòng công suất trong đường dây DC loại bỏ tất cả cácvấn đề trên Hơn nữa các kết nối không đồng bộ của hai hệ thống công suất có thể đạtđược thông qua sử dụng các liên kết DC

• Trở kháng đất

Trong truyền dẫn xoay chiều,sự tồn tại của dòng điện đất không thể cho phép ở trạng thái

ổn định do độ cao của mặt đất điều đó không chỉ ảnh hưởng hiệu quả truyền dẫn côngsuất mà còn làm nhiễu sóng điện thoại Trở kháng đất là không đáng kể cho dòng DC vàliên kết DC hoạt động có thể sử dụng một dây dẫn nối với đất( truyền dẫn đơn cực) Sựnối đất là trở ngại chỉ khi chôn các cấu trúc kim loại(chẳng hạn như ống) có mặt và dễ bị

ăn mòn với dòng DC Cần lưu ý rằng khi hoạt động ở chế độ đơn cực,mạng điện xoaychiều cung cấp cho các trạm biến đổi hoạt động với cân bằng điện áp và dòng điện Do

đó hoạt động đơn cực của truyền dẫn DC có thể cho thời gian dài trong khi các truyềndẫn xoay chiều một pha hoạt động không cân bằng không thể thực hiên được nhiều hơnmột giây

1.2.3 Phương diện môi trường

HVDC có thể cung cấp công suất cao hơn với đường dây ít hơn và hành lang hẹp hơn.Điều này đặc biệt quan trọng trong việc khai thác tài nguyên ở các khu vực xa xôi,nơiđường dây đi qua khu vực nhạy cảm về môi trường hoặc là các danh làm thắng cảnh.Không có hiện tượng cảm ứng điện từ gây ảnh hưởng tới môi trường,làm nhiễu loạn sóngradio làm ảnh hưởng tới môi trường sống của sinh vật khi đi qua các khu vực sinh thái

1.3Các mô hình truyền dẫn

Có ba loại cấu hình chính tùy vào các điều kiện về giá thành, môi trường truyềndẫn,khoảng cách truyền tải mà mỗi cấu hình được xem xét và áp dụng vào các trườnghợp cụ thể

1.3.1Kết nối đơn cực

Kết nối này dùng một dây dẫn ,thường sử dụng cực tính âm,đường trở về có thể dùng đấthoặc nước Có thể dùng đường trở về bằng kim loại nếu trở đất quá lớn và có thể gây

nhiễu loạn tới các công trình ngầm bằng kim loại khác Cấu hình này có chi phí đầu tưthấp do sử dụng ít dây dẫn

Hình 1.3.1: Kết nối đơn cực

1 3.2Kết nối lưỡng cực

Kết nối này gồm một cực dương một cực âm,mỗi đầu có bộ biến đỗi điện áp với điện ápđịnh mức bằng nhau mắc nối tiếp về phía một chiều Điểm giữa hai bộ biến đổi được nốiđất Khi gặp sự cố ta có thể ngắt một bộ ra mà không làm gián đoạn việc truyền tải củacác bộ còn lại,đây là kết nối phổ biến nhất trong hệ thống HVDC hiện đại

Hình 1.3.3 : Kết nối đồng cực

1.4 Công nghệ bộ biến đổi và cấu trúc cho bộ biến đổi

1.4.1công nghệ bộ biến đổi

trong một hệ thống HVDC đòi hỏi một quá trình chuyển đổi với khả năng chuyển đổinăng lượng điện từ AC sang DC và ngược lại Dựa trên các thiết bị chuyển mạch sử dụngtrong bộ biến đổi ta có thể phân loại gồm :

• bộ biến đổi nguồn dòng (CSC)

• bộ biến đổi nguồn áp (VSC)

1.4.1.1.CSC

CSC sử dụng công nghệ bán dẫn dựa trên các thyristor để chuyển mạch Nó là một loại

bộ biến đổi chuyển mạch đường dây (LCC) vì thyristor chỉ có thể ngắt, khi dòng đi qua

nó là không Do đó nó yêu cầu một điện áp ngược đặt lên nó để ngắt.CSC-HVDC phùhợp với các dự án truyền tải công suất và khoảng cách truyền dẫn lớn mà không có sựảnh hưởng của điện dung dọc theo chiều dài đường dây Một ưu điểm của LCC là tổnhao thấp Nhược điểm là ngốn lượng lớn công suất phản kháng cần điều chỉnh bù côngsuất phản kháng cần thiết Cấu hình cơ bản nhất là mạch cầu ba pha,gồm 6 van bán dẫn.Dòng điện chỉ chạy theo một chiều nên chỉ có thể đảo chiều công suất bằng cách đảochiều cực tính

Hình 1.4.1.1 Cấu hình CSC-HVDC

Các thử nghiệm đầu tiên hệ thống VSC-HVDC được xây dựng vào năm 1997 tạiHellsjön, Thụy Điển Sau đó, vào năm 1999 tại Gotland, Thụy Điển, các dự án VSC-HVDC thương mại đầu tiên được đưa vào hoạt động Kể từ đó, nhiều dự án đã được xâydựng hoặc đang trong kế hoạch cho tương lai gần Một cấu trúc mới VSC là MMC đangthu hút đối với các ứng dụng bởi những đặc điểm nổi bật như: dạng điện áp đầu ra tốt, tổnthất đóng cắt thấp Các nhà sản xuất đã phát triển thế hệ mới của VSC trên cơ sở củaMMC, và áp dụng trong một dự án thực tế tại Mỹ Công nghệ VSC-HVDC là công nghệxây dựng trên sử dụng các van bán dẫn IGBT.Là một bộ chuyển đổi nguồn điện ápchuyển mạch bắt buộc Trong khi đó, bằng cách áp dụng phương pháp điều khiển PWM(hay phương thức kết nối tầng cho MMC), nó có tốc độ đáp ứng rất nhanh, đặc biệt làtrong giai đoạn quá độ sau khi thay đổi Các tính năng chính của VSC-HVDC bao gồmcác nội dung sau:

• điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng có thể hoạt động ở bốn góc phần tư

• không sử dụng tụ bù công suất phản kháng giảm số thiết bị đi kèm

• kết nối giữa lưới công suất thấp với công suất cao làm việc như máy phát điện đồng bộ

• linh hoạt trong hỗ trợ lưới AC,dưới chế độ STATCOM nâng cao công suất và tính ổnđịnh của lưới AC

• đảo chiều công suất ,lắp đặt vận hành nhanh chóng

Hình 1.4.1.2 Cấu hình VSC-HVDC bộ biến đổi hai mức

1.4.2 Cấu trúc của bộ biến đổi trong hệ thống HVDC

Một tìm kiếm về bằng sáng chế đã cho thấy rằng bộ biến đổi đa mức đã được xuất hiệnkhoảng hơn 40 năm Bộ biến đổi đa mức làm tăng chất lượng điện áp đầu ra,có khả nănghoạt động với công suất,hiệu suất cao hơn rất nhiều so với bộ biến đổi hai mức

Hình 1.4.2.1: Nguyên lý bộ biến đổi đa mứcCác cấu trúc thường được sử dụng trong các bộ biến đổi đa mức

Ưu điểm

- Tất cả các pha dùng chung một đường dẫn nguồn một chiều (DC bus)

- Các tụ điện có thể nạp điện từ trước theo nhóm

- Hiệu suất cao vì các thiết bị được đóng cắt ở tần số cơ bản

Nhược điểm

- Trong mỗi điều kiện hoạt động nhất định có khả năng xảy ra mất cân bằng điện áp trên

tụ, gây ra một điện thế giữa điểm trung tính và nối đất làm méo thành phần sóng hài đầu

ra Do đó để cân bằng điện áp tụ càng phức tạp khi mức điện áp đầu ra lớn hơn ba mức

- Khi tăng số mức của điện áp đầu ra thì số lượng diot và tụ điện tăng lên rất lớn

Hình 1.4.2.2:Cấu trúc của bộ biến đổi đa mức diot kẹp

 Có nhiều trạng thái trên một mức điện áp giúp cân bằng điện áp trên các tụ

 Điều chỉnh được công suất tác dụng và công suất phản kháng

 Số lượng tụ lớn cho phép bộ nghịch nghịch lưu hoạt động trong chế độ ngắt điện và sụt

áp trong thời gian ngắn

Nhược điểm

 Điều khiển phức tạp khởi tạo giá trị điện áp ban đầu cho các tụ khó khăn

 Hiệu suất thấp

 Các van hoạt động với một tần suất không đều nhau

 Số lượng tụ nhiều làm tăng giá thành và cồng kềnh Số mức điện áp ở đầu ra bị giới hạn

Hình 1.4.2.4: Cấu trúc CHB

Ưu điểm: Bởi cấu trúc này được nuổi bởi mỗi nguồn riêng biệt,nên không có vấn đề vềcân bằng hay quá trình khởi tạo điện áp như cấu trúc NPC và FC,là cấu trúc dạng modulenên có khả năng điều khiển độc lập và khả năng kiểm suất thành phần thứ tự không củadòng điện

Nhược điểm của bộ này là nếu số module tăng lên cần nhiều các nguồn DC sẽ hạn chế docồng kềnh và chi phí cao

1.4.2.4 MMC

Các đề xuất gần đây về khái niệm MMC thu hút quan tâm đặc biệt cho các ứng dụng biếnđổi điện áp cao do lợi thế của mình và ít phức tạp hơn cấu trúc liên kết thông thường Cấutrúc MMC được tạo nên bởi các phần tử giống nhau được gọi là các SM( module thànhphần) Mỗi SM được ghép nối tiếp với nhau trong một pha được gọi là leg Mỗi pha đượcđược chia làm nhánh trên và nhánh dưới,mỗi SM trên mỗi nhánh là như nhau Điện ápmỗi pha được lấy ở các điểm giữa của các nhánh van do các tự trên mỗi pha dùng chungbus DC nên không cần lắp tụ lọc ở đầu vào ,các cuộn kháng L được dùng để lọc cácthành phần có sóng hái bậc cao Mỗi cấu trúc SM khác nhau sẽ có những ứng dụng khácnhau như HVDC,STATCOM,BTB

Hình 1.4.2.5 Cấu trúc bộ biến đổi MMC