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 lượng tái tạo (tt)

Từ đó hệ thống điện HTĐ cũng liên tục mở rộng và phát triển cả về nguồn và các đường dây truyền tải, nhất là khi các nguồn năng lượng tái tạo: gió, mặt trời,… được tích hợp trong lưới đi

TRONG TƯƠNG LAI

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 8520201

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Đà Nẵng - Năm 2020

Phản biện 2: GS.TS Nguyễn Hồng Anh

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điện họp tại trường Đại học Bách khoa vào ngày 18 tháng 7 năm 2020

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm học liệu và truyền thông tại Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng

 Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Đ n đề

Với nhịp độ tăng trưởng của nền kinh tế xã hội và sự gia tăng dân

số toàn cầu hiện nay, nhu cầu tiêu thụ năng lượng không ngừng tăng lên đòi hỏi ngành điện phải luôn luôn phát triển và đi trước đón đầu Từ đó

hệ thống điện (HTĐ) cũng liên tục mở rộng và phát triển cả về nguồn

và các đường dây truyền tải, nhất là khi các nguồn năng lượng tái tạo: gió, mặt trời,… được tích hợp trong lưới điện ngày càng nhiều đòi hỏi

hệ thống phải có sự nâng cấp và đáp ứng trên nhiều phương diện Hiện nay, nhiều nghiên cứu về việc nâng cấp hệ thống điện với mục tiêu chất lượng điện năng và giảm sự tổn hao trên hệ thống đã được tiến hành và ứng dụng vào thực tế Trong đó, truyền tải năng lượng một chiều HVDC ngày càng được chú trọng nghiên cứu cho việc cung cấp năng lượng với công suất truyền tải lớn, khoảng cách xa, và đặc biệt phù hợp ứng dụng với các hệ thống điện có sự xâm nhập ngày càng sâu của năng lượng tái tạo Số lượng các dự án HVDC (high voltage direct current) trên toàn cầu đang dần tăng lên trong những năm gần đây phản ánh sự quan tâm đúng mức về công nghệ này Các thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng tiên tiến trong lĩnh vực điện tử công suất đã góp phần

mở rộng phạm vi tiềm năng của truyền dẫn HVDC bao gồm các ứng dụng cho cáp ngầm, truyền tải năng lượng điện gió ngoài khơi, góp phần tăng độ linh hoạt, độ tin cậy và ổn định điện áp

Với quy mô phát triển của hệ thống điện Việt Nam, quá trình nâng cấp hệ thống điện và ứng dụng các công nghệ mới vào truyền tải điện năng đang dần nóng lên trong bối cảnh năng lượng gió và mặt trời kết nối vào lưới ngày một nhiều và hệ thống truyền tải HVAC hiện nay khó có khả năng đáp ứng được Hơn nữa, khu vực Miền Trung – Tây Nguyên là cầu nối cho 2 Miền Bắc - Nam hệ thống truyền tải lại càng mang tính chất trọng điểm Điều này làm cho hệ

2 thống lưới truyền tải xuống cấp và cần được bảo dưỡng, thay thế Trên cơ sở tìm hiểu hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC và những phân tích trên đây, học viên chọn đề tài “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 lượng tái tạo” cho luận văn tốt nghiệp của mình

- Góp phần nâng cao hiệu quả truyền tải điện năng trên lưới điện, từ

đó nâng cao các hiệu quả về kinh tế, đầu tư trong quá trình truyền tải điện năng và ứng dụng các nghiên cứu mới cho hệ thống điện Việt Nam

- Đưa ra một thiết kế tham khảo về ứng dụng HVDC cho việc xây dựng và phát triển hệ thống điện Việt Nam, nhất là lưới điện truyền tải sau này

3 Đối ƣợng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Các loại hình năng lượng tái tạo

- Hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC

- Bộ chuyển đổi trong hệ thống HVDC Bộ chuyển đổi nguồn áp VSC

- Lưới điện truyền tải khu vực Kontum – Gia Lai

- Số liệu về công suất truyền tải trên lưới

- Các phần mềm mô phỏng chuyên ngành

3.2 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về năng lượng tái tạo, hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC, phương pháp điều khiển bộ chuyển đổi trong

hệ thống HVDC

- Khảo sát hiện trạng lưới điện truyền tải khu vực Kontum – Gia Lai, trào lưu công suất trên lưới và các phương pháp giảm tổn thất trên lưới điện

- Ứng dụng phần mềm chuyên ngành mô phỏng hệ thống truyền tải HVDC trên lưới điện lựa chọn Phân tích, đánh giá kết quả thu được

4 Phương pháp nghiên cứu

Đánh giá tổng quan về các nguồn năng lượng tái tạo, hệ thống truyền tải năng lượng một chiều HVDC và phương pháp điều khiển các bộ chuyển đổi trong hệ thống, tập trung vào bộ chuyển đổi nguồn

áp VSC

Nghiên cứu đánh giá thực trạng lưới điện truyền tải khu vực Kontum – Gia Lai Tình hình vận hành và tổn thất trên lưới Từ đó, tìm hiểu các phương pháp nâng cao khả năng vận hành của lưới điện

và ứng dụng hệ thống HVDC

Trên cơ sở phân tích lý thuyết, sử dụng phần mềm để mô phỏng quá trình vận hành của lưới điện tích hợp hệ thống HVDC Phân tích, nhận xét các kết quả thu được về quá trình vận hành, tổn thất trên lưới điện

5 Ý nghĩa hực tiễn và khoa học của đề tài

Từ thực tiễn và cụ thể là những đặc điểm, đặc trưng của hệ thống điện Việt Nam hiện nay, trong thời kỳ phát triển kinh tế với sự bùng

nổ của năng lượng tái tạo, đề tài góp phần:

- Ứng dụng các nghiên cứu trước đây nhằm đưa ra phương án phát triển hệ thống truyền tải điện của Việt Nam

- Nâng cao khả năng vận hành và đảm bảo độ ổn định của lưới điện, từ đó giảm thiểu tổn thất về điện năng, kinh tế trong quá trình vận hành

- óp phần vào việc triển khai công nghệ mới trong cũng như

4 thúc đẩy sự phát triển và tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo trong

hệ thống điện

6 C u trúc của luận ăn

Luận văn được trình bày thành 5 chương và đưa ra Kết luận: Chương 1: Tổng quan về năng lượng tái tạo và hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC

Chương 2: Phương pháp điều khiển bộ chuyển đổi VSC trong hệ thống HVDC

Chương 3: Hiện trạng lưới điện khu vực Kontum – Gia Lai, lựa chọn khu vực ứng dụng hệ thống HVDC Giới thiệu phân phần mềm

mô phỏng ETAP

Chương 4: Ứng dụng phần mềm xây dựng mô hình lưới điện truyền tải tích hợp hệ thống HVDC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ HỆ THỐNG

TRUYỀN TẢI ĐIỆN MỘT CHIỀU HVDC

1.1 Thực trạng và sự phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo

1.1.1 Tổng quan về năng lượng tái tạo

1.1.2 Tình hình phát triển năng lượng tái tạo trong những năm gần đây

a) Trên thế giới

b) Tại Việt Nam

1.2 Tổng quan về lưới điện thông minh ứng dụng hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC

Hiện nay, với xu thế phát triển nhanh chóng của lưới điện thông minh và lưới điện siêu nhỏ cùng với sự xâm nhập cao của các nguồn năng lượng tái tạo, hệ thống HVDC ngày càng được nghiên cứu sâu

hơn nhằm cung cấp dịch vụ truyền tải cho các mô hình lưới điện này

1.2.1 Lưới điện thông minh - Smart grid

1.3.2 Tình hình phát triển HVDC

Hệ thống truyền tải HVDC vận hành thương mại đầu tiên trên thế giới tại Thụy Điển – Gotland 1 (chủ yếu là cáp ngầm vượt biển, công suất 20MW, cấp điện áp 100kV và chiều dài 100km) - sử dụng công nghệ van hồ quang thủy ngân (được đưa vào vận hành năm 1954) đánh dấu một bước tiến lớn của ngành này Hiện nay, có khoảng 160 công trình đường dây siêu cao áp 1 chiều HVDC đang vận hành hoặc đang xây dựng trên thế giới, trong đó đáng kể gồm: Trung Quốc 43 công trình, Ấn độ 9 công trình, Canada 9 công trình,

Mỹ 7 công trình, Úc 3 công trình, Bazil 3 công trình, châu Âu 72 công trình Tại khu vực Đông Nam Á, các nước có đường dây HVDC gồm: Philippines, Thái Lan, Malaysia, Indonesia

6 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) 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 Điều này cho thấy HVDC đang có cơ hội phát triển rất lớn ngay tại Việt Nam

1.3.4 Vai trò của HVDC trong phát triển năng lượng tái tạo

Việc ứng dụng hệ thống HVDC có thể nâng cao được dung lượng công suất phát và hạn chế các tổn hao trong quá trình truyền tải điện năng sinh ra từ các nguồn năng lượng này

Các hệ thống HVDC với hai bộ chuyển đổi năng lượng còn góp phần điều khiển và kiểm soát lưu lượng công suất phát nguồn năng lượng tái tạo tốt hơn so với hệ thống HVAC hiện hữu Một trong như những ưu thế có thể thấy hiện nay với HVDC là truyền tải không tần

số, nhờ vậy mà tỉ suất sự cố của hệ thống HVDC thấp hơn và độ tin cậy cao hơn các hệ thống HVAC

1.3.5 Nguyên lý hoạt động của HVDC

Nguyên lý hoạt động của HVDC tương tự như biến tần nhưng ở mức điện áp và công suất lớn hơn rất nhiều, đồng thời khoảng cách giữa hai bộ chuyển đổi AC/DC và DC/AC nằm cách xa nhau

1.3.6 Ứng dụng hệ thống HVDC

- Cáp ngầm dưới nước có chiều dài hơn 30km

- Truyền tải một lượng công suất lớn trên khoảng cách xa bằng

đường dây trên không

- Truyền tải công suất lớn từ một trạm lớn từ xa đến trung tâm phụ tải cách đó vài trăm km

- Liên kết giữa các hệ thống lớn

Việc ứng dụng HVDC trong các hệ thống lưới điện thông minh hay lưới điện siêu nhỏ góp phần nâng cao độ tin cậy trong vận hành và nâng cao chất lượng truyền tải

1.4 Cấu tạo của hệ thống HVDC và các phần tử chính

- Hệ thống làm mát

- Bộ lọc xoay chiều

- Bộ lọc một chiều

- Cuộn kháng san phẳng

- Nguồn công suất phản kháng

- Đường dây truyền tải của hệ thống HVDC

8 hoặc nghịch lưu mà không cần thay đổi cấu trúc

và đang nhận được nhiều sự quan tâm, nghiên cứu

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ CHUYỂN ĐỔI VSC TRONG

HỆ THỐNG HVDC 2.1 Ứng dụng của bộ chuyển đổi VSC trong hệ thống HVDC

Hình 2.1 Cấu trúc cơ bản của VSC-HVDC

Một trong những lợi thế của truyền VSC-HVDC là cấu trúc liên kết đa đầu cuối, dễ thực hiện Tính năng này có thể có lợi cho việc tích hợp lưới của các trang trại gió ngoài khơi, vì khoảng cách vật lý của mỗi trang trại gió có thể là xa và trạm tích hợp lưới có thể chỉ có vài lựa chọn Hệ thống VSC-HVDC đa thiết bị có thể tích hợp một số trang trại gió vào một hoặc nhiều trạm chuyển đổi bên lưới, cung cấp tính linh hoạt cao cho quy hoạch và xây dựng điện

Cấu trúc hệ thống này cũng là cấu trúc được sử dụng phổ biến trong HVDC Dòng năng lượng ba pha sẽ trải qua các khâu biến đổi

hệ trục tọa độ khác nhau phục vụ cho truyền tải năng lượng một chiều

Cụ thể hơn, các phương pháp chuyển đổi hệ tọa độ ứng dụng cho VSC

sẽ được trình bày trong phần tiếp theo

2.2 Các phương pháp chuyển hệ tọa độ

- Phép biến đổi Clarke

- Hệ tọa độ quay

- Phép biến đổi Park

- Vector không gian trong hệ tọa độ dq:

2.3 Điều khiển VSC trong hệ tọa độ dq

2.3.1 Cấu trúc của hệ thống VSC

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống VSC tần số đặt lưới

10

2.3.2 Chế độ dòng điện và điều khiển chế độ điện áp

2.3.3 Mô hình động của bộ điều khiển công suất

2.3.4 Vòng lặp khóa pha

2.3.5 Bộ điều khiển công suất tác dụng/phản kháng bằng chế

độ điều khiển dòng điện

2.3.6 Điều khiển dòng điện VSC

2.3.7 Điện áp DC-Bus

2.4 Kết luận

Để hệ thống HVDC có thể vận hành ổn định và theo các yêu cầu phụ tải, các bộ chuyển đổi LCC và VSC cần phải có các phương pháp điều khiển Trong chương này, phương pháp điều khiển VSC đã được làm rõ nhằm đáp ứng các yêu cầu về công suất của hệ thống bằng phương pháp chuyển các hệ toạ độ để điều khiển điện áp và dòng điện bằng các tín hiệu tham chiếu

Từ đó làm cơ sở ứng dụng cho quá trình xây dựng mô hình lưới điện tích hợp hệ thống HVDC để phân tích và đánh giá khả năng vận hành cũng như yếu tố tổn hao năng lượng trong hệ thống Quá trình

mô phỏng này sẽ được tiến hành trong phần mềm ETAP ngay sau khi lựa chọn được lưới điện và khu vực ứng dụng hệ thống HVDC trong chương 3

CHƯƠNG 3 HIỆN TRẠNG LƯỚI ĐIỆN KHU VỰC KONTUM – GIA LAI, LỰA CHỌN KHU VỰC ỨNG DỤNG HỆ THỐNG HVDC GIỚI

THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ETAP

3.1 Hiện trạng lưới điện khu vực Kontum – Gia Lai

3.1.1 Hiện trạng lưới điện

Hiện nay lưới điện khu vực Kontum – Gia Lai có 2 trạm biến áp 500kV huyết mạch của khu vực Tây Nguyên bao gồm 500kV Pleiku

và 500kV Pleiku 2

Hình 3.1 Sơ đồ lưới điện truyền tải khu vực Kontum - Gialai

3.1.2 Quy hoạch các dự án năng lượng tái tạo trong khu vực lưới điện

Theo “Quy hoạch phát triển điện lực tỉnh ia Lai gia đoạn 2011-2015 có xét đến năm 2020” và “Quy hoạch phát triển điện lực tỉnh ia Lai gia đoạn 2016-2025 có xét đến năm 2035” đã được Bộ Công thương phê duyệt và đang trong quá trình thực hiện, Lưới điện khu vực Kontum – Gia Lai sẽ được bổ sung thêm nguồn năng lượng tái tạo bao gồm cả điện gió và điện mặt trời, tổng công suất nguồn phát tính đến giai đoạn phát triển lưới điện năm 2025 có thể đạt đến gần 190 MW Trong đó:

- Bổ sung nhà máy điện mặt trời Krông Pa, công suất 49 MWp vận hành năm 2017-2018;

- Bổ sung nhà máy điện mặt trời Krông Pa 2, công suất 49 MWp vận hành năm 2019;

- Bổ sung Dự án Trang trại phong điện HBRE Chư Prông, quy

mô công suất 50 MW

Ngoài ra, Theo báo cáo của Sở Công thương đầu năm 2020, đối với điện mặt trời, UBND tỉnh đã cho phép các nhà đầu tư khảo sát, nghiên cứu đầu tư 41 dự án với tổng công suất 5578.5 MWp, trong đó

có 3 dự án đã được phê duyệt bổ sung quy hoạch với tổng công suất

158 MWp Có 12 dự án đã được UBND tỉnh trình cấp có thẩm quyền xem xét, phê duyệt bổ sung quy hoạch với tổng công suất 805 MWp;

26 dự án đang khảo sát, nghiên cứu lập hồ sơ bổ sung quy hoạch với tổng công suất dự kiến là 4615.5 MWp Về điện gió, UBND tỉnh cho phép các nhà đầu tư triển khai khảo sát, đo gió 89 dự án với tổng công suất khoảng 13532.4 MWp Hiện đã có Dự án Trang trại phong điện HBRE Chư Prông (công suất 50 MW) đang triển khai các thủ tục để đầu tư xây dựng; 56 dự án (tổng công suất 8178 MW) đã được UBND tỉnh trình cấp có thẩm quyền xem xét bổ sung quy hoạch và 32 dự án (tổng công suất 5304.4 MW) đang khảo sát, nghiên cứu lập hồ sơ bổ sung quy hoạch Bên cạnh đó, trên địa bàn tỉnh còn có 2 nhà máy điện sinh khối từ bã mía là Nhà máy Điện sinh khối Ayun Pa có công suất 34.6 MW và Nhà máy Điện sinh khối An Khê có công suất 110 MW

đã đi vào vận hành

3.2 Lựa chọn khu vực ứng dụng hệ thống HVDC

Trong phạm vi luận văn này, một hệ thống sẽ được giả định để truyền tải lưu lượng công suất phát từ các nguồn năng lượng tái tạo đã trình bày ở trên đến khu vực kết nối với lưới điện Kontum – Gia Lai

Hệ thống truyền tải này sẽ được khảo sát trong hai trường hợp sử dụng

HVAC và HVDC để đánh giá quá trình vận hành và cho thấy lợi ích của HVDC Chiều dài đường dây truyền tải của hệ thống được giả định là 70 km trong cả 2 trường hợp với cùng điều kiện vận hành của lưới điện để phù hợp cho việc ứng dụng HVDC và cho thấy sự khác biệt giữa HVAC và HVDC Từ có có thể tạo ra một phương án tham khảo để mở rộng lưới điện truyền tải, đảm bảo và nâng cao được độ tin cậy trong cung cấp điện

3.3 Giới phần mềm mô phỏng ETAP

3.3.1 Các khả năng tính toán của phần mềm ETAP