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

Các tài liệu, số liệu liên quan đã được công bố trước đây của ngành điện của Việt Nam và một số tổ chức khoa học trên thế giới về hệ thống năng lượng tái tạo và truyền tải điện một chiều

CỦA CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

TRONG TƯƠNG LAI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT ĐIỆN

Đà Nẵng, năm 2020

DUT.LRCC

CỦA CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

TRONG TƯƠNG LAI

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, dưới sự hướng dẫn của TS Dương Minh Quân Các tài liệu, số liệu liên quan đã được công bố trước đây của ngành điện của Việt Nam và một số tổ chức khoa học trên thế giới về hệ thống năng lượng tái tạo và truyền tải điện một chiều HVDC đều được trích dẫn nguồn cụ thể Kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Viết Trị

DUT.LRCC

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: 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

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 và phải mang lượng điện năng truyền tải rất lớn Điều này làm cho hệ thống lưới truyền tải xuống cấp và cần được bảo dưỡng, thay thế

Đề tài tiến hành ứng dụng mô phỏng một hệ thống truyền tải HVDC cho một lưới điện truyền tải thực tế Từ đó cho thấy các lợi ích mà hệ thống này mang lại, tạo một cơ sở tham khảo cho các dự

án thực tế

Từ khóa: HVDC; HVAC; Năng lượng tái tạo; truyền tải; VSC

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, long- distance, 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

DUT.LRCC

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

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục đích nghiên cứu .1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài 2

6 Cấu trúc của luận văn 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN MỘT CHIỀU HVDC 4

1.1 Thực trạng và sự phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo 4

1.1.1 Tổng quan về năng lượng tái tạo 4

1.1.2 Tình hình phát triển năng lượng tái tạo trong những năm gần đây 4

1.2 Tổng quan về lưới điện thông minh ứng dụng hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC 7

1.2.1 Lưới điện thông minh - Smart grid 8

1.2.2 Microgrid 9

1.3 Sơ lược hệ thống truyền tải điện một 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 của HVDC trong phát triển năng lượng tái tạo 12

1.3.5 Nguyên lý hoạt động của HVDC 13

1.3.6 Ứng dụng hệ thống HVDC 14

1.4 Cấu tạo của hệ thống HVDC và các phần tử chính 15

1.5 Các bộ chuyển đổi cơ bản trong hệ thống HVDC 19

1.5.1 LCC 19

1.5.2 VSC 20

1.5.3 So sánh LCC-HVDC và VSC-HVDC 20

DUT.LRCC

1.6 Kết luận 21

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ CHUYỂN ĐỔI VSC TRONG HỆ THỐNG HVDC 23

2.1 Ứng dụng của bộ chuyển đổi VSC trong hệ thống HVDC 23

2.2 Các phương pháp chuyển hệ tọa độ 24

2.3 Điều khiển VSC trong hệ tọa độ dq 25

2.3.1 Cấu trúc của hệ thống VSC 25

2.3.2 Chế độ dòng điện và điều khiển chế độ điện áp 26

2.3.3 Mô hình động của bộ điều khiển công suất 28

2.3.4 Vòng lặp khóa pha 29

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

CHƯƠNG 3 HIỆN TRẠNG LƯỚI 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 các dự án năng lượng tái tạo trong khu vực lưới điện 38

3.2 Lựa chọn khu vực ứng dụng hệ thống HVDC 39

3.3 Giới thiệu phần mềm mô phỏng ETAP 40

3.3.1 Các khả năng tính toán của phần mềm ETAP 40

3.3.2 Các phần tử 43

3.3.3 Mô phỏng HVDC trong ETAP 50

3.4 Kết luận 52

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM XÂY DỰNG MÔ HÌNH LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI TÍCH HỢP HỆ THỐNG HVDC 53

4.1 Xây dựng mô hình hệ thống 53

4.1.1 Xây dựng mô hình trong phần ETAP 53

4.1.2 Các trường hợp mô phỏng 55

4.2 Kết quả mô phỏng 56

4.2.1 Mô phỏng trào lưu công suất chế độ cực đại 56

4.2.2 Mô phỏng trào lưu công suất chế độ cực tiểu 61

4.2.3 Tính toán ngắn mạch 67

DUT.LRCC

4.3 Phân tích, đánh giá kết quả 68

4.3.1 Trào lưu công suất 68

4.3.2 Tính toán 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)

DUT.LRCC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, THUẬT NGỮ

Từ viết tắt /

Thuật ngữ Giải thích nghĩa

HVDC Truyền tải một chiều điện áp cao

HVAC Truyền tải xoay chiều điện áp cao

SG Lưới điện thông minh IEA Chi phí gia công, lắp dựng giá đỡ dàn pin mặt trời LCOE Chi phí bình quân toàn cầu về điện năng khả dụng

PV Pin quang điện NLTT Năng lượng tái tạo

DG Nguồn phân tán LCC Bộ biến đổi nguồn dòng Thyristor VSC Bộ biến đổi nguồn áp

DC Dòng điện một chiều

AC Dòng điện xoay chiều PWM Phương pháp điều rộng xung PCC Điểm kết nối chung

DUT.LRCC

trong chế độ cực đại 57 4.3 Điện áp tại các thanh cái khi sử dụng HVAC trong chế độ cực

4.4 Tổn thất công suất và điện áp trong lưới khi sử dụng HVAC

trong chế độ cực đại 58 4.5 Công suất truyền tải trên các đường dây khi sử dụng HVDC

trong chế độ cực đại 59 4.6 Điện áp tại các thanh cái khi sử dụng HVDC trong chế độ cực

4.7 Tổn thất công suất và điện áp trong lưới khi sử dụng HVDC

trong chế độ cực đại 61 4.8 Công suất truyền tải trên các đường dây khi sử dụng HVAC

trong chế độ cực tiểu 62 4.9 Điện áp tại các thanh cái khi sử dụng HVAC trong chế độ cực

tiểu 63 4.10 Tổn thất công suất và điện áp trong lưới khi sử dụng HVAC

trong chế độ cực tiểu 64 4.11 Công suất truyền tải trên các đường dây khi sử dụng HVDC

trong chế độ cực tiểu 65 4.12 Điện áp tại các thanh cái khi sử dụng HVDC trong chế độ cực

tiểu 66 4.13 Tổn thất công suất và điện áp trong lưới khi không sử dụng

HVDC trong chế độ cực tiểu 66 4.14 So sánh tổn thất công suất và điện áp rơi trong chế độ cực đại 69 4.15 So sánh tổn thất công suất và điện áp rơi trong chế độ cực tiểu 70

DUT.LRCC

ngược lại 25 2.4 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống VSC tần số đặt lưới 25 2.5 Sơ đồ của bộ điều khiển công suất tác dụng/công suất phản

kháng bằng chế độ điều khiển điện áp 26 2.6 Sơ đồ điều khiển công suất tác dụng / phản kháng bằng điều

khiển chế độ dòng điện 27 2.7 Sơ đồ khối điều khiển của PLL 30 2.8 Sơ đồ sơ lược của PLL 30 2.9 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển dòng điện của VSC 32 3.1 Sơ đồ lưới điện truyền tải khu vực Kon Tum – Gia Lai 35 3.2 Giao diện chính của Etap 40 3.3 Các chức năng tính toán 41 3.4 Các phần tử AC 41 3.5 Các thiết bị đo lường, bảo vệ 42

DUT.LRCC

Số hiệu

3.6 Thư viện cáp lực 42 3.7 Trang info của nguồn 43 3.8 Trang Rating của nguồn 43 3.9 Trang Energy Price của máy phát 44 3.10 Trang info của Bus 45 3.11 Trang info của đường dây 45 3.12 Trang impedance của đường dây 46 3.13 Trang Info của máy biến áp 46 3.14 Trang Rating của máy biến áp 47 3.15 Trang Tap của máy biến áp 47 3.16 Chỉnh đầu phân áp máy biến áp 48 3.17 Trang Grounding của máy biến áp 48 3.18 Trang Info của tải 49 3.19 Trang Nameplate của tải 49 3.20 Trang info của HDVC 50 3.21 Trang Rating của HDVC 51 4.1 Thông số nguồn phát trong lưới điện 54 4.2 Sơ đồ lưới điện mô phỏng trong ETAP 54 4.3 Cài đặt thông số mô phỏng trào lưu công suất trong Edit Study

Case 55 4.4 Study Case trong trường hợp mô phỏng ngắn mạch 56 4.5 Kết quả trào lưu công suất khi sử dụng HVAC trong chế độ

cực đại 56 4.6 Trào lưu công suất trường hợp sử dụng HVDC trong chế độ

cực đại 59 4.7 Kết quả trào lưu công suất khi sử dụng HVAC trong chế độ

cực tiểu 62 4.8 Trào lưu công suất trường hợp sử dụng HVDC trong chế độ

cực tiểu 65 4.9 Kết quả dòng ngắn mạch khi sử dụng HVAC 67 4.10 Kết quả dòng ngắn mạch khi sử dụng HVDC 68 4.11 Dạng sóng dòng điện ngắn mạch tại thanh cái RES 71

DUT.LRCC

MỞ ĐẦU

1 Đ t v 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 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

2 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC và phương pháp điều khiển các bộ chuyển đổi trong hệ thống Từ đó mô hình hóa hệ thống chuyển đổi tích hợp vào lưới điện truyền tải nhằm nâng cao sự ổn định của hệ thống

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

DUT.LRCC

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 tượng 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 Kon Tum – Gia Lai

- Số liệu về công suất truyền tải trên lưới

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 Kon Tum – 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 thực 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

DUT.LRCC

thiểu tổn thất về điện năng, kinh tế trong quá trình vận hành

- Góp phần vào việc triển khai công nghệ mới trong cũng như thúc đẩy sự phát triển và tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo trong hệ thống điện

6 C u trúc của luận văn

Luận văn được trình bày thành 4 chương và đưa ra Kết luận:

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

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

1.3 Sơ lược hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC

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

1.5 Các bộ chuyển đổi cơ bản trong hệ thống HVDC

1.6 Kết luận

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

2.2 Các phương pháp chuyển hệ tọa độ

2.3 Điều khiển VSC trong hệ tọa độ dq

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

Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn như năng lượng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng và địa nhiệt Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường và đưa vào trong các ứng dụng kỹ thuật Các quy trình này thường được thúc đẩy đặc biệt là từ Mặt Trời Năng lượng tái tạo thay thế các nguồn nhiên liệu truyền thống trong 4 lĩnh vực gồm: phát điện, đun nước nóng, nhiên liệu động cơ, và

hệ thống điện độc lập nông thôn

Ngành công nghiệp điện trên thế giới hiện nay chủ yếu dựa trên công nghệ nhiệt

và thủy điện, nhưng cũng đã bộc lộ mặt trái của nó đối với môi trường trái đất

Để khắc phục tình hình cạn kiệt năng lượng truyền thống và hạn chế ô nhiễm môi trường thì việc nghiên cứu và phát triển các nguồn năng lượng sạch, tái tạo là cần thiết

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

a) Trên thế giới

Phát triển nguồn điện năng lượng tái tạo là xu thế toàn cầu Để thúc đẩy sự gia tăng phát triển nguồn điện năng lượng tái tạo đòi hỏi phải giải quyết nhiều thách thức.Việc phát triển nguồn điện năng lượng tái tạo đòi hỏi phải có chiến lược, lộ trình,

bước đi và cơ chế chính sách thích hợp phù hợp với điều kiện cụ thể

Năm 2015, sản lượng điện từ năng lượng tái tạo, không bao gồm thủy điện, chiếm 6,8% tổng sản lượng điện toàn cầu, trong đó bao gồm 3,5% điện gió, 1,9% điện sinh khối và 1,0% điện mặt trời (quang điện) Nếu tính cả thủy điện (16,0%) thì sản lượng điện từ các nguồn năng lượng tái tạo đạt tới 22,8%

Tại Ấn Độ năm 2014 nước này đã gia tăng nhanh chóng công suất nguồn điện năng lượng tái tạo, bao gồm cả nguồn điện mặt trời PV (photovoltaics) được hỗ trợ bởi nguồn bức xạ mặt trời phong phú, theo mục tiêu quốc gia đề ra là 175 GW (không kể các nhà máy thủy điện quy mô lớn) vào năm 2022

Hoa Kỳ đã công bố mức tăng kỷ lục công suất nguồn điện năng lượng tái tạo trên 20 GW vào năm 2016 Mặc dù hiện nay việc xử lý các ưu đãi thuế ở cấp liên bang đối với năng lượng tái tạo không chắc chắn, tăng trưởng công suất nguồn điện năng lượng tái tạo vào năm 2017 và 2018 sẽ là khoảng 20 GW do mở rộng nguồn điện năng

DUT.LRCC

lượng mặt trời PV nhờ chính sách thúc đẩy năng lượng tái tạo ở cấp bang và giảm nhanh chi phí

Cuối năm 2018, công suất phát điện tái tạo toàn cầu lên tới 2.351 GW Thủy điện chiếm tỷ trọng lớn nhất trong tổng số toàn cầu, với công suất lắp đặt là 1.172

GW Năng lượng gió và mặt trời chiếm phần lớn còn lại, với công suất lần lượt là 564

GW và 486 GW Năng lượng tái tạo khác bao gồm 115 GW của năng lượng sinh học,

13 GW năng lượng địa nhiệt và 500 MW năng lượng biển (thủy triều, năng lượng sóng

và đại dương)

Hình 1.1 Tình tình phát triển năng lượng tái tạo năm 2018 [11]

Công suất phát điện tái tạo tính đến năm 2018 tăng khoảng 171 GW so với năm

2017 (+ 7.9%) Trong đó năng lượng mặt trời tiếp tục thống trị, với công suất tăng 94

GW (+ 24%), tiếp theo là năng lượng gió với mức tăng 49 GW (+10%) Thuỷ điện tăng 21 GW (+2%) và năng lượng sinh học là 6 GW (+5%) Năng lượng địa nhiệt chỉ tăng hơn 500 MW

Mở rộng công suất tái tạo tiếp tục được thúc đẩy chủ yếu nhờ vào sự phát triển công suất lắp đặt của năng lượng mặt trời và năng lượng gió Hai loại hình này chiếm 84% tổng công suất mới được lắp đặt vào năm 2018, cuối cùng đẩy tỷ lệ thủy điện chung xuống dưới 50%

DUT.LRCC

Hình 1.2 Hiện trạng năng lượng tái tạo trên thế giới phân chia theo khu vực

Châu Á chiếm 61% công suất mới trong năm 2018 (thấp hơn một chút so với năm trước đó) và hơn một Terawatt công suất tái tạo (44% tổng công suất toàn cầu) Châu Á và Châu Đại Dương cũng là những khu vực phát triển nhanh nhất với sự tăng trưởng +11,4% và +17,7% tương ứng

Châu Âu mở rộng với cùng số lượng như năm 2017 (+24 GW, a 4.6%) Bắc Mỹ phục hồi nhẹ, với mức tăng 19 GW (+5,4 %) Sự phát triển năng lượng tái tạo ở Châu Phi cũng như năm 2017 với mức tăng 3,6 GW (+8,4 %)

Theo báo cáo của IEA, chi phí bình quân toàn cầu về điện năng khả dụng (Utility scale) của các nhà máy điện mặt trời, giảm hơn 50% từ năm 2012 xuống còn

11 Cent/kWh vào năm 2016 và dự kiến sẽ giảm xuống mức 8,7 Cent/kWh vào năm

2022 Các yếu tố làm giảm chi phí gồm có việc thực hiện đấu giá cạnh tranh ở nhiều quốc gia khác nhau và giá mô-đun điện mặt trời PV giảm mạnh nhờ việc mở rộng quy

mô áp dụng trên khắp thế giới

Tương tự, mức chi phí bình quân toàn cầu về điện năng khả dụng (LCOE) của điện gió trên thềm lục địa (Onshore), không bao gồm trợ cấp, được ước tính là 7,5 Cent/kWh năm 2016 và dự kiến giảm xuống còn 6,5 Cent/kWh vào năm 2022 cũng nhờ cuộc chạy đua cắt giảm chi phí thông qua đấu giá cạnh tranh Việc thực hiện đấu giá cho điện mặt trời PV và điện gió đang gia tăng trên toàn cầu để giảm chi phí

Việc giảm chi phí như dự kiến sẽ mở đường cho điện mặt trời PV và điện gió phát triển rộng khắp trên toàn cầu với một tốc độ ổn định Tuy nhiên, việc mở rộng các nguồn điện năng lượng tái tạo tự nhiên sẽ làm mất ổn định hệ thống điện Vì vậy, các nước sẽ phải nâng cao tính linh hoạt của hệ thống điện trên tiền đề của việc mở rộng quy mô các nguồn điện năng lượng tái tạo tự nhiên Việc cải thiện này, mặc dù kéo theo tăng chi phí hệ thống điện, có khả năng tạo ra các mô hình kinh doanh mới

DUT.LRCC

b) Tại Việt Nam

Việt Nam được đánh giá là quốc gia có nhiều tiềm năng để phát triển năng lượng tái tạo Việc khai thác các nguồn năng lượng tái tạo có ý nghĩa hết sức quan trọng cả

về kinh tế, xã hội, an ninh năng lượng và phát triển bền vững Quy hoạch điện VII điều chỉnh đặt ra mục tiêu và định hướng phát triển năng lượng tái tạo Ưu tiên phát triển nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo, tạo đột phá trong việc bảo đảm an ninh năng lượng quốc gia, góp phần bảo tồn tài nguyên năng lượng, giảm thiểu tác động tiêu cực tới môi trường trong sản xuất điện Từ đó tăng tỷ trọng của điện năng sản xuất từ nguồn năng lượng tái tạo trong cơ cấu nguồn điện với các tiêu chí:

- Ưu tiên phát triển các các dự án nguồn thủy điện có lợi ích tổng hợp (chống lũ, điều tiết nước, cung cấp điện), nghiên cứu đưa nhà máy thủy điện tích năng vào vận hành phù hợp với phát triển của hệ thống điện Quốc gia nhằm nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống điện Tổng công suất các nguồn thủy điện (bao gồm cả thủy điện vừa và nhỏ, thủy điện tích năng) lên khoảng 21.600 MW vào năm 2020, khoảng 24.600 MW vào năm 2025 (thủy điện tích năng 1.200 MW) và khoảng 27.800 MW vào năm 2030 (thủy điện tích năng 2.400 MW)

- Nâng tổng công suất nguồn điện gió lên khoảng 800 MW vào năm 2020, khoảng 2.000 MW vào năm 2025 và khoảng 6.000 MW vào năm 2030

- Phát triển điện sử dụng nguồn năng lượng sinh khối, nâng tỷ trọng điện năng sản xuất từ nguồn năng lượng sinh khối đạt khoảng 1% vào năm 2020, khoảng 1,2% vào năm 2025 và khoảng 2,1% vào năm 2030

- Đẩy nhanh phát triển nguồn điện sử dụng năng lượng mặt trời, bao gồm cả nguồn tập trung lắp đặt trên mặt đất và nguồn phân tán lắp đặt trên mái nhà Đưa tổng công suất nguồn điện mặt trời lên khoảng 850 MW vào năm 2020, khoảng 4.000 MW vào năm 2025 và khoảng 12.000 MW vào năm 2030

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

DUT.LRCC

AC/DC HVDC DC/AC

Nguồn phát truyền thống

và NLTT

Phụ tải Hệ thống điện lớn

Hình 1.3 Mô hình lưới điện sử dụng HVDC

1.2.1 Lưới điện thông minh - Smart grid

Smart grid (SG) là hệ thống điện lưới có sử dụng các công nghệ thông tin và truyền thông để tối ưu việc truyền dẫn, phân phối điện năng giữa nhà sản xuất và hộ tiêu thụ, hợp nhất cơ sở hạ tầng điện với cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc Có thể coi hệ thống điện thông minh gồm có hai lớp: Lớp 1 là hệ thống điện thông thường và bên trên nó là lớp 2, hệ thống thông tin, truyền thông, đo lường:

- Là một hệ thống điện phục vụ hàng triệu khách hàng và có một cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc thông minh, cho phép dòng thông tin kịp thời, an toàn và khả năng thích ứng cao cần thiết để cung cấp điện cho nền kinh tế kỹ thuật số đang phát triển hiện nay

- Là một hệ thống điện tự xử lý, điều chỉnh trong những tình trạng khẩn cấp bằng cách tự điều chỉnh và đáp ứng nhu cầu tiện ích và thị trường năng lượng hiện nay

- Là một tập hợp rộng lớn của công nghệ truyền tải điện một cách linh hoạt, dễ tiếp cận, đáng tin cậy và có tính kinh tế, SG đáp ứng mong muốn của người sử dụng điện về việc phân phối, việc triển khai của hệ thống quản lý nhu cầu và lưu trữ năng lượng hoặc mở rộng tối ưu và quản lý tài sản lưới điện

DUT.LRCC

Hình 1.4 Chức năng của SG

Các đặc điểm của SG:

- Thoả mãn yêu cầu thực tế ngày càng tăng

- Dễ dàng kết nối và đảm bảo vận hành cho tất cả các nguồn điện với các kích cỡ

và công nghệ khác nhau, kể cả các nguồn điện phân tán như các nguồn năng lượng tái tạo, làm cho toàn bộ hệ thống vận hành hiệu quả hơn

- Khả năng tự động khôi phục cung cấp điện khi có sự cố xảy ra mất điện đối với khách hàng

- Chống được sự tấn công cố ý đối với hệ thống cả về mặt vật lý và mạng máy tính

- Nâng cao độ tin cậy, chất lượng và an toàn của hệ thống cung cấp điện

- Hiệu quả cao trong sản xuất, truyền tải, phân phối, tiết kiệm điện

- Duy trì và cải tiến các dịch vụ hiện hành một cách hiệu quả

- Sử dụng rộng rãi các nguồn năng lượng tái tạo

- Cho phép các hộ gia đình dùng điện chủ động tham gia vào việc vận hành tối

ưu hệ thống, làm cho thị trường điện phát triển

- Cung cấp cho các hộ dùng điện đầy đủ thông tin và các lựa chọn nguồn cung cấp

- Giảm thiểu các tác động ảnh hưởng tới môi trường

- Tích hợp (theo dõi, kiểm soát, bảo vệ, bảo trì, EMS, DMS, AMI)

1.2.2 Microgrid

Một microgrid có thể tích hợp hiệu quả các nguồn phát điện phân tán (Distributed generation - DG) đặc biệt là nguồn năng lượng tái tạo (Renewable energy) hoặc các nguồn vi mô như pin nhiên liệu, pin mặt trời (PV), tua bin gió và các tuabin

DUT.LRCC

siêu nhỏ và có thể cung cấp năng lượng khẩn cấp, thay đổi giữa các chế độ đảo và kết nối

So với một DG đơn, một microgrid có khả năng linh hoạt và kiểm soát linh hoạt hơn để đáp ứng các yêu cầu về độ tin cậy và chất lượng điện của hệ thống Microgrid cũng cung cấp các cơ hội để tối ưu hóa các hệ thống DG Một ví dụ điển hình là sự tạo hoặc đồng phát nhiệt và năng lượng (Combined Heat and Power - CHP) kết hợp, hiện

là biện pháp quan trọng nhất để cải thiện hiệu quả năng lượng Microgrid có thể hoạt động ở chế độ kết nối lưới hoặc chế độ độc lập (tách lưới) và mang lại lợi ích cho cả lưới điện, vận hành và khách hàng

Hình 1.5 Cấu hình hệ thống Microgrid và các chức năng chính

1.3 Sơ lƣợc hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC

1.3.1 Định nghĩa hệ thống HVDC

Hệ thống điện một chiều điện áp cao (HVDC) sử dụng điện một chiều để truyền tải lượng lớn điện năng trên một khoảng cách dài Đối với truyền dẫn đường dài, đường dây HVDC tổn thất ít hơn so với đường truyền xoay chiều (AC) Nó cũng cho phép kết nối các lưới điện có tần số và đặc điểm khác nhau

Trong truyền tải xoay chiều, các sóng điện áp và dòng điện trên đường dây thay đổi hướng của nó sau mỗi mili giây, do đó tổn thất xảy ra ở dạng nhiệt Không giống như dòng xoay chiều, điện áp và sóng một chiều không thay đổi hướng của chúng Dòng HVDC tăng hiệu quả của đường dây truyền tải năng lượng điện Trong một hệ thống AC và DC kết hợp, điện áp AC được chuyển thành DC ở đầu gửi Sau đó, điện

áp DC được đảo ngược tới AC ở đầu nhận, cho mục đích phân phối Do đó, thiết bị chuyển đổi (chỉnh lưu) và đảo ngược (nghịch lưu) cũng cần thiết ở hai đầu của đường dây

DUT.LRCC

1.3.2 Tình hình phát triển HVDC

Truyền tải điện một chiều cao áp (HVDC) [2-5] 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 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 Với những tiến bộ trong lĩnh vực điện tử công suất, các khóa đóng ngắt dần được thay thế bằng thyristor và IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors), hiệu năng truyền tải và khả năng điều khiển của HVDC ngày càng được cải thiện thông qua việc sử dụng công nghệ điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation)

Chi phí đầu tư ban đầu cho toàn bộ hệ thống HVDC luôn là một trở ngại lớn để các nước đang phát triển như Việt Nam có thể tiếp cận công nghệ HVDC Tuy nhiên, các nghiên cứu cho thấy hiệu quả đầu tư xây dựng HVDC so với HVAC tăng tỉ lệ thuận với chiều dài đường dây xây dựng Suất đầu tư cho đường dây HVDC thấp hơn HVAC do thiết kế cột gọn nhẹ hơn Thông thường, khi tính toán kinh tế đối với các dự

án truyền tải trên thế giới, suất đầu tư cho đường dây HVDC bằng 0.6-0.8 lần đường dây HVAC cùng điện áp và số mạch Bên cạnh đó, hành lang tuyến của đường dây HVDC nhỏ hơn HVAC (do ảnh hưởng của điện trường tĩnh đến sức khỏe con người chỉ tương tự như từ trường trái đất), làm giảm chi phí đền bù và giải phóng mặt bằng

Mặc dù 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 được bù đắp bởi khoản tiết giảm đầu tư đường dây HVDC và giảm tổn thất điện năng Khi khoảng cách càng dài thì HVDC càng có lợi, từ đó xuất hiện một điểm cân bằng, tại đó 2 hệ thống HVDC và HVAC có tổng chi phí tương đương Điểm cân bằng thường được tính theo chiều dài và có khoảng cách từ 600-800 km Đối với hệ thống HVDC sử dụng cáp ngầm vượt biển thì khoảng cách của điểm cân bằng ngắn hơn nhiều so với đường dây trên không

DUT.LRCC

1.3.3 Triển vọng phát triển HVDC

Với chiều dài dọc theo đường bờ biển và nhu cầu truyền tải công suất liên miền lớn, Việt Nam hội tụ đủ các yếu tố để triển khai xây dựng HVDC Thực tế là, theo Quy hoạch điện VII điều chỉnh (QHĐ7ĐC), đến năm 2030, Việt Nam sẽ nhập khẩu điện từ các nước trong khu vực như Lào, Campuchia và Trung Quốc Vào tháng 12/2016, chính phủ 2 nước Lào và Việt Nam đã ký biên bản ghi nhớ, theo đó Việt Nam sẽ nhập khẩu khoảng 5000MW đến giai đoạn 2026-2030 Việc hình thành lưới truyền tải liên kết Việt Nam – Lào là một trong những thành phần quan trọng của chiến lược liên kết lưới điện ASEAN nói chung và tiểu vùng sông Mekong (VN – Lào – Thái Lan – Myanmar - Campuchia) nói riêng Hầu như các khu vực xây dựng đường truyền tải có địa hình phức tạp, đa phần là đồi núi nên mặt bằng xây dựng hệ thống sẽ gặp phải các khó khăn Với ưu điểm HVDC như đã trình bày, hành lang tuyến của đường dây HVDC nhỏ hơn HVAC (do ảnh hưởng của điện trường tĩnh) có thể làm giảm diện tích khu vực thi công và thuận lợi hơn trong quá trình xây dựng

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) 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

Các nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời ngày càng gia tăng trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng đang dần tạo ra cơ hội cho việc xây dựng các hệ thống truyền tải HVDC Việc phát triển về dung lượng lắp đặt, công suất phát của các nguồn năng lượng tái tạo, nhất là gió và mặt trời, làm cho lượng công suất truyền tải trong hệ thống điện gia tăng Xét đến tình hình thực tế, đối với khu vực các tỉnh Ninh Thuận – Bình Thuận, được xem như trung tâm nguồn năng lượng tái tạo, lượng công

DUT.LRCC

suất sinh ra từ các nhà máy điện gió và điện mặt trời hiện nay sản sinh quá lớn vượt quá khả năng truyền tải của hệ thống HVAC hiện hữu 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 Việc ứng dụng hệ thống này vào việc truyền tải với các hệ thống cáp ngầm đang được ứng dụng rộng rãi nhờ vào ưu điểm này, mà một trong số đó có thể kể đến ứng dụng truyền tải cho các trang trại điện gió ngoài khơi

Xét đến một khía cạnh khác, khi các nguồn năng lượng tái tạo ở xa trung tâm phụ tải, độ dài đường truyền là một trong những vấn đề lớn phát sinh tổn thất công suất, điển hình là các nhà máy điện gió xây dựng ở khu vực miền Trung – Tây Nguyên: Dự án điện gió Hướng Linh, Hướng Phùng (Hướng Hóa, Quảng Trị), dự án điện gió tại huyện Ea H’leo (Đăk Lăk)… Các hệ thống truyền tải HVDC lúc này sẽ là giải pháp tốt phục vụ cho quá trình truyền tải Hay đối với trang trại điện gió ngoài khơi, việc xây dựng hệ thống cáp ngầm là điều không thể tránh khỏi, trong khi HVDC

có thể đảm bảo được khả năng hoạt động với phương thức xây dựng này

Có thể thấy rằng, trong thời kỳ bùng nổ của năng lượng tái tạo hiện nay tạo ra

được cơ hội phát triển rất lớn của hệ thống truyền tải HVDC

1.3.5 Nguyên lý hoạt động của HVDC

Nguyên lý hoạt động của HVDC [4-8] 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

Trong trạm biến áp, nguồn AC được chuyển đổi thành DC bằng cách sử dụng

hệ thống chỉnh lưu Trong trạm biến áp HVDC hoặc trạm chuyển đổi, chỉnh lưu và nghịch lưu được đặt ở cả hai đầu của một đường truyền Thiết bị chỉnh lưu thay đổi

AC thành DC, trong khi nghịch lưu chuyển đổi DC thành AC

Dòng DC chạy trên đường dây và ở đầu cuối một lần nữa DC được chuyển đổi thành AC bằng cách sử dụng nghịch lưu trong trạm biến áp Năng lượng điện vẫn giữ nguyên ở đầu gửi và nhận DC được truyền qua một khoảng cách dài làm giảm tổn thất

và cải thiện hiệu quả so với AC

Một hệ thống có nhiều hơn hai trạm chuyển đổi và một đường truyền được gọi

là "hệ thống DC hai đầu cuối" hoặc "hệ thống đơn" Tương tự, nếu trạm biến áp có

DUT.LRCC

nhiều hơn hai trạm chuyển đổi và kết nối các đầu cuối DC, nó được gọi là trạm biến áp

DC đa kết nối

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lí của hệ thống truyền tải HVDC

Quá trình truyền tải điện năng giữa trạm truyền (Trạm Chỉnh lưu) tới trạm đến (Trạm nghịch lưu) là quá trình truyền tải điện năng giữa hai trạm biến đổi Tại trạm biến đổi này điện áp xoay chiều được cho qua trạm biến áp để cung cấp một điện áp xoay chiều thích hợp cung cấp cho bộ biến đổi Bộ biến đổi biến đổi điện xoay chiều thành một chiều và được truyền trên đường dây một chiều đến trạm biến đổi kia Điện

áp và dòng một chiều được làm phẳng bằng cuộn san dòng và khử sóng hài bằng bộ lọc trên đường dây một chiều Tại trạm biến đổi dòng điện và điện áp một chiều từ đường dây tải điện qua bộ biến đổi chuyển thành dòng và điện áp xoay chiều Điện áp xoay chiều này được cho qua trạm biến áp để biến đổi thành điện áp xoay chiều mong muốn

Trong quá trình truyền tải điện năng giữa hai trạm nói trên vai trò của các mạch biến đổi tại hai trạm có thể thay đổi cho nhau dẫn đến sự đảo chiều của luồng công suất Tại các trạm biến đổi công suất phản kháng được cung cấp bởi các nguồn phản kháng

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

DUT.LRCC

1.4 C u tạo của hệ thống HVDC và các phần tử chính

Hình 1.7 Sơ đồ hệ thống HVDC lưỡng cực

Một hệ thống truyền tải HVDC [2-4] bao gồm các thiết bị chính sau:

- Trạm biến áp: Trạm biến áp bao gồm các máy biến áp chuyển đổi điện áp xoay chiều về cấp điện áp xoay chiều thích hợp cho bộ chuyển đổi của hệ thống truyền tải điện một chiều và chúng tham gia vào điện kháng chuyển mạch

- Bộ biến đổi: Một mạch biến đổi điển hình thường có hai nhóm biến đổi 12 xung mỗi cực Bộ biến đổi thông thường có cấu hình hai cầu biến đổi 6 xung 3 pha liên kết nối tiếp để tạo thành một thiết bị biến đổi 12 xung Tổng số van trong mỗi bộ là 12 Mỗi van được sử dụng để chuyển mạch một đoạn sóng điện áp xoay chiều Nguồn cấp cho bộ biến đổi là các máy biến áp được nối theo tổ đấu dây Y/Y và Y/∆

Hình 1.8 Cấu trúc bộ biến đổi 12 xung

- Hệ thống làm mát: Các van được làm mát bằng không khí, nước, dầu hay khí Freon Các trạm HVDC hiện đại ngày nay sử dụng nước khử ion hoá là hiệu quả hơn

cả và góp phần giảm tổn thất trong trạm Khả năng tải của một nhóm van thông thường bị hạn chế bởi dòng ngắn mạch hơn là yêu cầu mang tải trong chế độ xác lập

Để tản nhiệt thì những thùng tản nhiệt được đặt vào trong khoảng giữa các liên kết

DUT.LRCC

trong thyristor Nhiệt độ tối đa của liên kết để giữ được khả năng chịu điện áp định mức của thyristor khoảng 1200 Ngoài ra những thành phần khác như cuộn kháng cản dòng, mạch phân áp RC cũng được làm mát bằng nước

Hình 1.9 Hình ảnh một module Thyristor

- Bộ lọc xoay chiều: Ở phía xoay chiều của bộ chuyển đổi có sinh ra sóng hài, các sóng hài bậc 11,13, 23, 25, ngoài tác hại như gây nhiễu tín hiệu thông tin còn gây tổn thất, làm méo dạng điện áp, làm phát nóng thiết bị,… Do đó các bộ lọc được lắp đặt nhằm mục đích hạn chế sóng hài tới mức độ thấp nhất của lưới điện Bộ lọc phù hợp với nhu cầu công suất phản kháng của bộ biến đổi Trong quá trình làm việc, bộ biến đổi tiêu thụ một lượng khá lớn công suất phản kháng, lượng công suất phản kháng này được bù đắp một phần bởi nhóm bộ lọc và phần còn lại bởi nhóm tụ điện

Hình 1.10 Bộ lọc xoay chiều

- Bộ lọc một chiều: Ở phía một chiều bộ biến đổi sinh ra các sóng hài bậc 12, 24,… các sóng hài như vậy có thể tạo ra sự nhiễu loạn trong các hệ thống viễn thông Phần lớn sự nhiễu loạn này bị giảm nhờ cuộn kháng cản dòng Thông thường các bộ lọc DC chủ yếu được thiết kế nhằm bảo đảm nhiễu trên dây DC ở mức chấp nhận được Trong trường hợp đường dây trên không thì việc lắp đặt bộ lọc một chiều là cần thiết Thông thường các bộ lọc phía DC có giá thành thấp hơn bộ lọc phía AC

DUT.LRCC

Hình 1.11 Bộ lọc DC

- Cuộn kháng san phẳng: Cuộn kháng được mắc nối tiếp với mạch biến đổi có chức năng giảm dòng điện sóng hài trên đường dây truyền tải điện một chiều, giảm thiểu những rủi ro chuyển mạch do dòng một chiều, tăng quá giới hạn thoáng qua tại các hệ thống xoay chiều và một chiều Các cuộn kháng này có thể là dạng kháng điện tuyến tính hay phi tuyến với điện trở thấp và điện kháng phù hợp yêu cầu Những cuộn kháng thường dùng hiện nay là loại có cách điện và làm mát bằng không khí

Hình 1.12 Cuộn kháng san bằng

- Nguồn công suất phản kháng: Do quá trình hoạt động các bộ biến đổi tiêu thụ công suất phản kháng Tại chế độ vận hành bình thường thì bộ biến đổi tiêu thụ một lượng công suất phản kháng khoảng 50% đến 60% công suất tác dụng được truyền tải Giải pháp kinh tế nhất là mắc một hệ thống tụ song song tại đầu ra của các bộ biến đổi

DUT.LRCC

Hình 1.13 Nguồn công suất phản kháng tụ điện

- Đường dây truyền tải của hệ thống HVDC: Các đường dây truyền tải một chiều

có nhiệm vụ truyền tải công suất từ phía chỉnh lưu qua phía nghịch lưu Đối với việc truyền tải điện năng công suất lớn trên mặt đất thì phương tiện truyền tải phổ biến nhất

là đường dây trên không Đường dây trên không này thông thường là lưỡng cực (hai đường dây với hai cực tính khác nhau) Cáp HVDC thông thường được sử dụng khi đi ngầm dưới biển Những kiểu phổ biến nhất của cáp ngầm là loại cách điện rắn và loại cách điện dầu, trong đó loại cách điện rắn kinh tế nhất Cách điện của cáp bao gồm nhiều băng giấy cách điện được thấm dầu nhớt có độ đậm đặc cao Không có sự hạn chế về độ dài đối với loại cáp này và độ sâu cho phép có thể lên đến 1000m Loại cáp

mà được đổ đầy dầu có độ đậm đặc thấp và luôn làm việc dưới một áp suất thì chiều dài tối đa cho phép cho kiểu cáp này là thường khoảng 60km Sự phát triển các loại cáp mới đã và đang gia tăng trong những năm gần đây

- Nguyên tắc để xác định kích thước của đường dây trên không và cột đỡ của đường dây tải điện một chiều tương tự như đường dây xoay chiều Tiết diện dây dẫn được lựa chọn theo mật độ dòng điện kinh tế (Jkt)

- Trên đường dây có treo hai dây chống sét bảo vệ (trong đó một dây kết hợp với cáp quang phục vụ thông tin) với góc bảo vệ là 180 Nối đất luôn được thực hiện để giảm bớt sóng hài và giảm nhiễu đường dây thông tin

- Hệ thống nối đất: Hầu hết các liên kết một chiều đều sử dụng nối đất như dây trung tính Khi nối đất yêu cầu mặt bằng rộng để giảm dòng rò Địa điểm chọn đặt hệ thống điện cực nối đất phải có điện trở suất đủ bé, xa khu vực thành thị, các đường ống, công trình ngầm, trạm biến đổi, … để ngăn chặn hiện tượng ăn mòn điện hoá, dòng rò vào MBA của bộ biến đổi, nhiễu thông tin Các điện cực gần được khoan sâu dưới lòng đất do điện trở suất của lớp đất gần bề mặt thường khá cao

- Hệ thống điều khiển và bảo vệ: Hệ thống điều khiển là bộ não của hệ thống HVDC Một trong những thuận lợi lớn nhất của hệ thống truyền tải HVDC là tính điều

DUT.LRCC

khiển được Một trạm HVDC hiện đại được trang bị hệ thống bảo vệ và điều khiển bằng vi xử lý tích hợp

- Công suất có thể truyền tải thông qua các bộ chuyển đổi nhờ vào hệ thống điều điều khiển góc mở của thyristor hoặc điều khiển đóng mở IGBT và điều chỉnh bộ điều

áp máy biến áp của bộ biến đổi Mỗi một cực, hay mỗi trạm chuyển đổi có một hệ thống điều khiển riêng Hai hệ thống điều khiển của hai trạm ở hai đầu hệ thống HVDC liên lạc với nhau thông qua đường dây viễn thông Hầu hết các đường dây truyền tải HVDC được điều khiển từ xa thông qua trung tâm điều độ Một hệ thống điều khiển hiện đại ngày nay có tất cả các chức năng điều khiển, giám sát được thực hiện bằng phần mềm chuyên dụng

- Hệ thống bảo vệ: Cũng giống như hệ thống xoay chiều, hệ thống một chiều cũng có thể gặp phải các dạng sự cố mà nguyên nhân là do sự hoạt động sai chức năng của thiết bị cách điện hỏng do sét đánh hoặc do ô nhiễm môi trường,… các sự cố cần phải được phát hiện và hệ thống cần được bảo vệ để ngăn ngừa hoặc giảm thiểu tác hại của sự cố Ngoài việc làm gián đoạn sự vận hành bình thường thì các sự cố khác nhau

có thể gây hư hỏng thiết bị do hiện tượng quá áp và quá dòng

1.5 Các bộ chuyển đổi cơ bản trong hệ thống HVDC

Một hệ thống HVDC yêu cầu một bộ biến đổi điện tử có khả năng biến năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều và ngược lại Có hai dạng cấu hình cho bộ biến đổi 3 pha cơ bản là [7-8]:

- Bộ biến đổi nguồn dòng LCC (line-commutated converters)

- Bộ biến đổi nguồn áp VSC (Voltage-Source Converters)

1.5.1 LCC

Hầu hết các hệ thống HVDC đang hoạt động hiện nay đều dựa trên các bộ chuyển đổi nguồn dòng Bộ chuyển đổi nguồn dòng sử dụng các thiết bị chuyển mạch không được điều khiển (chẳng hạn như diode) hoặc chỉ có thể được bật (không tắt) bằng hành động điều khiển, chẳng hạn như thyristor Mặc dù về nguyên tắc, các bộ biến đổi HVDC có thể được chế tạo từ các diode, nhưng các bộ biến đổi này chỉ có thể được sử dụng trong chế độ chỉnh lưu và việc thiếu kiểm soát điện áp DC là một bất lợi nghiêm trọng

DUT.LRCC

Hình 1.14 Cấu trúc LCC – HVDC và VSC - HVDC

Trong bộ chuyển đổi nguồn dòng, dòng điện một chiều không thay đổi hướng, nó chảy qua một cuộn cảm lớn và có thể được coi là gần như không đổi Về phía AC, bộ chuyển đổi hoạt động xấp xỉ như một nguồn dòng, đưa cả dòng điện tần số và sóng hài vào mạng AC Do hướng của dòng điện không thể thay đổi, nên việc đảo ngược hướng của dòng điện (nếu cần) đạt được bằng cách đảo ngược cực tính của điện áp DC ở cả hai trạm

1.5.2 VSC

VSD được cấu tạo từ 6 IGBT (Insulater Gate Bipolar Transiste- cổng lưỡng cực cách điện), tạo thành bộ chuyển đổi 3 pha AC sang DC Mỗi IGBT có 1 diode song song ngược dòng điện có thể chạy qua lại giữa AC và DC Do đó VSC có thể hoạt động như một chỉnh lưu hoặc nghịch lưu mà không cần thay đổi cấu trúc

Mỗi IGBT có một diode song song ngược, dòng điện có khả năng chảy qua lại giữa phía AC và DC VSC có thể hoạt động như một bộ chỉnh lưu hoặc nghịch lưu mà không có bất kỳ thay đổi cấu trúc liên kết nào

VSC là bộ chuyển đổi thông dụng nhất hiện nay không chỉ trong HVDC mà còn dùng trong HVAC khi chuyển đổi các nguồn năng lượng mặt trời từ một chiều sang xoay chiều Do đó, bộ chuyển đổi này sẽ được tập trung làm rõ nguyên lý trong chương sau

1.5.3 So sánh LCC-HVDC và VSC-HVDC

Dự án truyền tải HVDC thương mại hiện đại đầu tiên được xây dựng giữa Gotland và vùng đất chính Thụy Điển vào năm 1954 Công suất là 10-20MW, và được xây dựng dựa trên các bộ biến đổi đường truyền dựa trên tuyến tính (LCC) của Thyristor Công nghệ này đã có nhiều sự phát triển mạnh mẽ và được sử dụng rộng rãi hiện nay LCC-HVDC phù hợp để truyền tải điện năng đường dài vì các van LCC chính, thyristor, đáng tin cậy và có khả năng công suất cao Dự án HVDC dài nhất được báo cáo là tuyến Xiangjiaba Thượng Hải 2.071 km (1.287 mi) kết nối đập Xiangjiaba với Thượng Hải, ở Trung Quốc

DUT.LRCC

Ưu điểm của VSC-HVDC so với LCC-HVDC bao gồm: ít sóng hài hơn do đó không cần phải có bộ lọc kích thước lớn; khả năng cung cấp năng lượng phản ứng và các ứng dụng đa thiết bị đầu cuối IGBT có thể bật hoặc tắt tùy thuộc vào tín hiệu điện

áp được áp dụng trên cổng, do đó, PWM (công nghệ điều chế độ rộng xung - Pulse Width Modulation) được sử dụng để điều khiển các bộ chuyển đổi Vì vậy, cường độ

và pha của điện áp đầu ra đều có thể kiểm soát hoàn toàn VSC có thể bù công suất phản kháng cho lưới điện, để hỗ trợ ổn định điện áp xoay chiều Do khả năng điều khiển hoàn toàn của điện áp đầu ra, dòng điện trong VSC-HVDC cũng có thể được điều khiển hoàn toàn, cho phép dòng điện linh hoạt giữa các lưới Vì không có nguồn điện áp xoay chiều cần thiết để hoạt động như LCC HVDC, nên VSC-HVDC có thể

hỗ trợ mạng thụ động, lý tưởng cho tải từ xa và tích hợp năng lượng tái tạo Một dự án VSC-HVDC đang được triển khai là kết nối 165 km, ± 320 kV và 800 MW giữa DolWin Alpha và D¨orpen / West ở Đức So sánh LCC-HVDC và VSC-HVDC [5-8] được liệt kê trong hình sau:

Hình 1.15 So sánh LLC và VSC

1.6 Kết luận

Trong chương này, tổng quan về năng lượng tái tạo, các hệ thống điện thông minh trong tương lai cũng như hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC đã được đề cập đến Không chỉ có vai trò quan trọng với hệ thống truyền tải điện thông thường, HVDC là một phần trong sự phát triển của lưới điện thông minh Smartgrid hay Microgrid và đang nhận được nhiều sự quan tâm, nghiên cứu

Trong giai đoạn bùng nổ của năng lượng tái tạo cùng với sự xuống cấp của các

hệ thống HVAC do trải qua thời gian vận hành khá lâu, HVDC ngày càng có nhiều cơ hội để phát triển và có thể xem như là giải pháp cấp thiết trong quá trình truyền tải, đặc biệt với các hệ thống cáp ngầm cho các trang trại điện gió ngoài khơi Vì vậy, đề tài này tập trung nghiên cứu ứng dụng HVDC cho lưới điện truyền tải khu vực Kon Tum

DUT.LRCC

– Gia Lai, và được trình bày trong các chương tiếp theo

Trong HVDC, các bộ chuyển đổi năng lượng đóng vai trò quan trọng và quyết định đến cấu trúc và khả năng điều khiển của hệ thống, hai mô hình chuyển đổi hiện nay của HVDC bao gồm LCC và VSC, trong đó VSC đang được quan tâm nhiều hơn trong bối cảnh phát triển của công nghiệp bán dẫn và lĩnh vực điện tử công suất Do

đó, nguyên lý hoạt động và phương pháp điều khiển của bộ chuyển đổi VSC sẽ được trình bày trong chương 2 để có thể làm rõ quá trình chuyển đổi năng lượng trong các

hệ thống HVDC

DUT.LRCC

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 trên lưới, cung cấp tính linh hoạt cao cho quy hoạch và xây dựng điện

Tùy thuộc vào cấu trúc liên kết của VSC-HVDC đa đầu cuối, mục tiêu điều khiển của mỗi trạm chuyển đổi khác nhau Khi VSC-HVDC đa đầu cuối được sử dụng

để tích hợp các trang trại gió ngoài khơi vào lưới điện, các trạm chỉnh lưu thường hoạt động ở chế độ hỗ trợ mạng thụ động, tức là, cường độ và tần số của điện áp đầu ra AC của bộ chuyển đổi sẽ được kiểm soát Liên quan đến trạm nghịch lưu kết nối với lưới điện xoay chiều, mục tiêu điều khiển chính là điều chỉnh điện áp AC, đảm bảo năng lượng hoạt động được tạo ra từ các trang trại gió có thể được cung cấp cho lưới điện

để duy trì cân bằng điện

Trong trường hợp kết nối giữa các lưới thay vì tích hợp các trang trại gió, các trạm chỉnh lưu thường hoạt động ở chế độ điều khiển công suất, trong đó quy định chuyển giao năng lượng hoạt động và phản ứng Tuy nhiên, các trạm nghịch lưu hoạt động ở cùng chế độ - chế độ điều khiển điện áp DC

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

DUT.LRCC

2.2 Các phương pháp chuyển hệ tọa độ

Khi nghiên cứu một hệ thống 3 pha, các biến đổi toán học thường được dùng để giảm bớt số biến, để đơn giản hóa số nghiệm của các phương trình có hệ số thay đổi theo thời gian t hay để quy các biến về một hệ tọa độ chung [1]

- Phép biến đổi Clarke: Các biến hai pha cố định của phép biến đổi clarke

được kí hiệu αβ

Công thức chuyển đổi của phép biến đổi Clarke:

Với điện áp ba pha ua,ub,uc có dạng:

(2.1)

(2.2) (2.3) Qua phép biến đổi Clarke:

(2.4)

(2.5)

Từ đại lượng ba pha lệch nhau 120 qua phép biến đổi Clarke thành đại lượng hai pha lệch nhau , với trục β chậm sau α một góc

Hình 2.2 Dạng sóng của phép biến đổi Clarke

- Hệ tọa độ quay: Trong mặt phẳng của hệ tọa độ αβ, xét thêm một hệ tọa độ thứ 2

có trục hoành d và trục tung q, hệ tọa độ thứ 2 này có chung điểm gốc và nằm lệch đi một góc θ so với hệ tọa độ stator (hệ tọa độ αβ) Trong đó, ω= quay tròn quanh gốc tọa độ chung, góc θ =ωt +ω0 Khi đó sẽ tồn tại hai tọa độ cho một vector trong không gian tương

ứng với hai hệ tọa độ này Hình vẽ sau sẽ mô tả mối liên hệ của hai tọa độ này

DUT.LRCC

Hình 2.3 Giản đồ vector chuyển hệ tọa độ αβ sang hệ tọa độ dq và ngược lại

- Phép biến đổi Park: Dùng để chuyển các đại lượng sang hệ tọa độ quay dq

Công thức của phép biến đổi Park chuyển từ hệ tọa độ αβ sang hệ tọa độ quay dq:

- Vector không gian trong hệ tọa độ dq:

Xét một vector không gian u(t) =uα+juβ qua phép biến đổi Park được định nghĩa như sau:

đó là dịch chuyển pha của vector u bằng –ρ(t) góc lệch ρ(t) có thể chọn tùy ý Tuy nhiên nếu ví dụ u(t) = U.ej(ωat+θo)chọn ρ(t)=ωat thì ta có kết quả của vector không gian là:

ud+uq= U.ej(ωat+θo).e-jωat=U.ejθo (2.7) Không còn thay đổi theo thời gian, do đó ud và uq là đại lượng DC Với biến đổi ngược lại như sau:

u(t)=uα+juβ=(ud+juq).ejρ(t) (2.8)

2.3 Điều khiển VSC trong hệ tọa độ dq [13]

2.3.1 Cấu trúc của hệ thống VSC

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

ω

DUT.LRCC

Trên hình 2.4 bộ VSC [9-11] được mô hình hóa bởi bộ xử lý không tổn hao công suất với một tụ điện DC-bus tương đương, một nguồn dòng song song phía DC thể hiện tổn thất công suất khi chuyển mạch VSC và các nguồn điện nối tiếp phía AC ở trạng thái mở đại diện cho tổn thất công suất trên đường dây truyền tải Phía DC của VSC có thể được nối với một nguồn áp DC hoặc một nguồn công suất DC khác Mỗi pha đầu ra của VSC được nối với hệ thống AC thông qua một nhánh RL

Giả sử hệ thống AC vô cùng lớn, được mô hình hóa bằng một nguồn áp ba pha lý tưởng, Vsabc, là nguồn cân bằng, hình sin và tần số không đổi Hệ thống VSC trong hình 2.1 trao đổi các thành phần công suất tác dụng và công suất phản kháng Ps(t) và

Qs(t) với hệ thống AC tại điểm nối chung (PCC) Tùy thuộc vào phương pháp điều khiển, hệ thống VSC trên hình 2.4 có thể được sử dụng làm bộ điều khiển công suất tác dụng hoặc phản kháng hoặc một cổng điện áp một chiều DC Cổng điện áp DC được điều khiển như một phần của bộ bù tĩnh (STATCOM)

Hệ thống VSC trong hình 2.4 có thể được sử dụng như là một bộ điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng Như vậy, phía DC của bộ VSC được nối song song với một nguồn áp DC với mục tiêu là điều khiển công suất tác dụng và phản kháng tức thời mà hệ thống VSC phát lên lưới điện AC, đó là Ps(t) và Qs(t)

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

Trong hệ thống VSC của Hình 2.4, Ps(t) và Qs(t) có thể được điều khiển dựa trên hai phương pháp Cách tiếp cận đầu tiên được gọi là điều khiển chế độ điện áp (Voltage-mode Control) và được mình họa trong hình 2.5 chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng điện áp cao / ứng dụng năng lượng như là bộ điều khiển FACTS

Hình 2.5 Sơ đồ của bộ điều khiển công suất tác dụng/công suất phản kháng bằng chế

độ điều khiển điện áp

DUT.LRCC

Hình 2.5 Thể hiện công suất tác dụng / phản kháng được điều khiển bằng góc pha

và biên độ của điện áp đầu cực phía AC (Vtabc) tương ứng với điện áp tại điểm nối chung (PCC) là Vsabc Nếu biên độ và góc pha của điện áp Vtabc gần với điện áp Vsabc, công suất tác dụng và công suất phản kháng gần như tách rời nhau và hai bộ phận bù độc lập có thể được sử dụng để điều khiển chúng Do đó điều khiển chế độ điện áp có

ưu điểm đơn giản và có số vòng lặp điều khiển thấp

Công suất tác dụng và phản kháng được điều khiển bằng góc pha và biên độ của dòng điện VSC đối với điện áp điểm nối chung (PCC) Do đó, bộ VSC được bảo vệ dưới điều kiện quá tải lặp lại Những ưu điểm khác của điều khiển chế độ dòng điện bao gồm sức chịu đựng của sự biến thiên lặp lại trong các tham số của hệ thống VSC

và lưới AC, hiệu suất biến thiên vượt trội và độ chính xác điều khiển rất cao

Hình 2.6 Sơ đồ điều khiển công suất tác dụng / phản kháng bằng điều khiển chế độ

bù tạo ra các tín hiệu trong hệ tọa độ dq Cuối cùng, các tín hiệu này được chuyển sang

hệ tọa độ abc và nạp vào bộ VSC Để bảo vệ bộ VSC các lệnh tham chiếu idref và iqref bị

DUT.LRCC

giới hạn bởi khối bão hòa

2.3.3 Mô hình động của bộ điều khiển công suất

Giả sử điện áp ba pha của hệ thống AC trong hệ thống VSC (hình 2.6) có dạng như sau:

Vsa(t) = Vs.cos(ω0t + θ0) (2.9)

Vsb(t) = Vs.cos(ω0t + θ0 - ) (2.10)

Vsc(t) = Vs.cos(ω0t + θ0 - ) (2.11) Trong đó Vs là giá trị cực đại của điện áp pha, ω0 là giá trị tần số của hệ thống

AC (không đổi) và θ0 là góc pha ban đầu của nguồn Dựa vào công thức chuyển vector không gian trong hệ tọa độ, vector không gian tương đương với Vsabc như sau:

Vs(t) = Vs.ej(ω0t +θ0) (2.12) Theo sơ đồ hình 2.6 ta có:

L idq = -j(L idq -(R + ron).idq + Vtdq – Vs e j(ω0t +θ0-ρ) (2.16) Phân tích biểu thức 2.16 thành các thành phần thực và ảo ta suy ra:

L id = (L id -(R + ron).id + Vtd – Vs.cos(ω0t+θ0-ρ) (2.17)

L iq = -(L iq -(R + ron).iq + Vtq – Vs.sin(ω0t+θ0-ρ) (2.18) Phương trình 2.17 và 2.18 không ở dạng chuẩn trạng thái không gian vì vậy,

chúng ta đưa biến điều khiển mới ω vào, trong đó ω= ta được:

L id = Lω(t).id -(R + ron).id + Vtd – Vs.cos(ω0t+θ0-ρ) (2.19)

L iq = -Lω(t).iq -(R + ron).iq + Vtq – Vs.sin(ω0t+θ0-ρ) (2.20)

= ω(t) (2.21) Trong 2.19 và 2.20, id, iq và ρ là các biến trạng thái Và Vt, Vs và ω là các điều khiển đầu vào Hệ thống được mô tả trong các biểu thức 2.19 đến 2.21, là các biểu

DUT.LRCC

thức phi tuyến vì có ωi d , ωi q , cos(ω 0 t+θ 0 -ρ) và sin(ω 0 t+θ 0 -ρ) Để khảo sát biểu thức

2.19 đến 2.21, ta giả sử điều kiện ban đầu ρ bằng không và ω(t)≡0 Do đó ρ luôn luôn bằng 0 và các biểu thức 2.13, 2.14 được viết lại như sau:

L id = -(R + ron).id + Vtd – Vs cos(ω0t+θ0-ρ) (2.22)

L iq = -(R + ron).iq + Vtq – Vs.sin(ω0t+θ0-ρ) (2.23) Các phương trình 2.19 và 2.20 hoặc các phương trình tương đương 2.22 và 2.23

là phương trình cơ sở để điều khiển hệ thống VSC trong hệ tọa độ dq trên hình 2.6

Dựa vào 2.15, ρ(t)=ω 0 t+θ 0 tương ứng với V sq =0 Vì vậy, chúng ta đưa ra cơ chế

điều chỉnh Vsq ở mức 0 Điều này có thể đạt được dựa trên luật phản hồi sau đây:

ω(t) = H(p) Vsq(t) (2.29)

Trong đó H(p) là hàm truyền tuyến tính (bù), và p=d(.)/dt là một toán tử vi phân

Thay Vsq từ 2.25 vào 2.19 và thay ω(t) từ 2.29 vào 2.28:

= H(p).Vs sin(ω0t+θ0-ρ) (2.30) Phương trình 2.30 biểu diễn một hệ thống động lực phi tuyến, gọi là PLL Chức năng của PLL là điều khiển ρ tại ω0t+θ0 Tuy nhiên, theo đặc tính phi tuyến của nó, PLL có thể thể hiện trạng thái không đạt yêu cầu trong một số điều kiện nhất định Ví

dụ, nếu PLL bắt đầu từ điều kiện ban đầu ρ=0 và ω(0)=0, giới hạn H(p).Vs sin(ω0t+θ0ρ) là một hàm sin theo thời gian với tần số ω0 Sau đó nếu H(s) có đáp ứng tần số phản hồi thông thấp, vế bên phải của biểu thức 2.30 và dρ/dt cũng thể hiện nhiễu nhỏ hình sin về 0, PLL rơi vào một chu kỳ giới hạn và ρ cũng không theo dõi được ω0t+θ0 Để ngăn chặn điều này xảy ra thì luật điều khiển có thể thay đổi lại như sau:

-ω(t) = H(p).Vsq(t), ω(0) = ω0 , ωmin ≤ ω ≤ωmax (2.31) Trong đó ω(t) có giá trị ban đầu là ω(0)=ω0, và có giới hạn dưới là ωmin, giới hạn trên là ωmax ωmin, ωmax được chọn gần giá trị ω0 và để xác định một khoảng biến thiên

DUT.LRCC