Nghiên cứu áp dụng hệ thống truyền tải điện một chiều cao áp cho hệ thống điện gió xa bờ

ISSN 2354-0575 NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN MỘT CHIỀU CAO ÁP CHO HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ XA BỜ Nguyễn Thị Thùy Dương, Nguyễn Thị Vân Anh, Nguyễn Thị Thùy Dung, Đoàn Văn Điện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Ngày tòa soạn nhận báo: 10/01/2019 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 22/01/2019 Ngày báo duyệt đăng: 05/02/2019 Tóm tắt: Việc xây dựng trang trại phát điện gió ngồi khơi bước việc sử dụng điện gió nước ven biển giới Sự kết nối trang trại gió ngồi khơi với lưới điện bờ có khoảng cách 50 km công suất lắp đặt 100 MW cơng nghệ truyền tải điện áp chiều HVDC (High Voltage Direct Current) có nhiều lợi ích cơng nghệ truyền tải dòng xoay chiều HVAC (High Voltage Alternating Current) Bài báo trình bày việc kết nối hệ thống khơi với lưới điện bờ thông qua công nghệ truyền tải HVDC Các nghiên cứu cụ thể thực chế độ xác lập chế độ độ hệ thống nhằm đánh giá khả truyền tải dòng chiều hệ thống điện gió xa bờ Từ khóa: Điện gió ngồi khơi, HVDC, Bộ biến đổi nguồn dòng, Bộ biến đổi nguồn áp Giới thiệu Năng lượng gió xem xét nguồn lượng tái tạo hứa hẹn, phát triển mạnh mẽ, đặc biệt châu Âu Mỹ Năng lượng gió thực tế, nguồn lượng tái tạo phát triển nhanh nhất: từ năm 1996, công suất lắp đặt từ 23900 MW lên 486749 MW [1] Sự phát triển nhanh chóng lượng gió khắp giới mở môi trường việc tạo lượng gió dạng trang trại gió ngồi khơi Việc tính tới đặt turbine gió biển trở thành thực, vị trí bờ có gió tốt để phát điện khơng cịn nhiều Gió ngồi khơi có tốc độ cao ổn định hơn, tốt cho việc phát điện, khu vực lắp đặt rộng hơn, vấn đề di chuyển turbine gió xa khỏi khu dân cư lý thúc đẩy đầu tư vào lượng gió ngồi khơi Sự kết nối trang trại gió ngồi khơi mạng lưới điện bờ thực công nghệ truyền tải HVAC HVDC Hệ thống truyền tải HVAC hệ thống truyền tải phổ biến từ đầu kỷ 20 toàn giới, công nghệ truyền tải HVAC công nghệ truyền tải có chi phí tổn hao thấp khoảng cách ngắn Do ưu điểm mà HVAC công nghệ truyền tải sử dụng phổ biến để kết nối trang trại gió ngồi khơi (offshore) với mạng lưới điện bờ (onshore) Tuy nhiên, trang trại gió nằm ngồi khơi cách xa đất liền sử dụng cáp ngầm để truyền tải dòng xoay chiều với khoảng cách dài sinh công suất phản 30 kháng chạy đường dây Điều làm hạn chế khả truyền tải cáp ngầm gây tổn thất điện áp, tổn thất cơng suất cáp Vì phạm vi báo này, nhóm nghiên cứu tập trung nghiên cứu đề xuất việc truyền tải cho trang trại gió xa bờ cơng nghệ truyền tải chiều HVDC Các tính tốn phân tích cụ thể thực chế độ xác lập chế độ độ để đánh giá ưu nhược điểm công nghệ truyền tải Phương pháp nghiên cứu Hình Chi phí đầu tư xây dựng đường dây HVAC HVDC Hình cho thấy thay đổi chi phí truyền tải xoay chiều truyền tải chiều với khoảng cách HVAC có xu hướng tiết kiệm so với HVDC với khoảng cách nhỏ khoảng Khoa học & Công nghệ - Số 21/Tháng - 2019 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 cách tới hạn lại đắt tiền với khoảng cách xa Khoảng cách tới hạn khác khoảng từ 400-800km đường dây không (tùy thuộc vào điện áp truyền tải) Với hệ thống dùng cáp khoảng cách tới hạn nằm khoảng 25-50km Hình mơ tả sơ đồ kết nối hệ thống với mạng lưới bờ ngầm chiều Hình Sơ đồ nguyên lý kết nối hệ thống Hệ thống truyền tải HVDC sử dụng biến đổi điện tử công suất lớn hai đầu cáp truyền tải Hiện công nghệ truyền tải HVDC sử dụng rộng rãi trong: Hệ thống điện có liên kết yếu hệ thống điện tách biệt; Hệ thống trao đổi công suất liên khu vực hay liên kết quốc gia; Kết nối với phụ tải tách biệt khoảng cách xa giàn khoan dầu, nhà giàn hay trạm khai thác khí đốt; Kết nối với hệ thống điện gió ngồi khơi xa bờ Trong số đó, biến đổi điện tử cơng suất chia làm loại: chuyển mạch nguồn dòng (LCC) chuyển mạch nguồn áp (VSC) Thiết bị biến đổi nguồn dòng LCC chủ yếu sử dụng van điện tử Thyristor có khả truyền tải cơng suất lên đến hàng trăm MW, hệ thống biến đổi công suất lớn cần phải trang bị thêm lọc sóng hài Thiết bị biến đổi nguồn áp VSC điều khiển đồng thời cơng suất tác dụng cơng suất phản kháng sinh sóng hài phía xoay chiều Tuy nhiên nhược điểm VSC cơng suất truyền tải bị giới hạn, dòng thời gian ngắn dẫn tới nhiệt phá hủy hoàn toàn phần tử chuyển mạch Trong trường hợp hệ thống có cố ngắn mạch, điện áp bị giảm đột ngột, van công suất điều khiển để trì cơng suất truyền tải đường dây chiều định mức Cấu trúc hệ thống HVDC chia làm phần: Chỉnh lưu, Nghịch lưu Cáp truyền tải Hệ thống chỉnh lưu nghịch lưu công nghệ LCC sử dụng Thyristor mơ tả Hình Hình Hệ thống chuyển mạch LCC Công suất tác dụng phản kháng biến đổi HVDC xác định từ dịng điện điện áp đầu vào phía xoay chiều AC, giá trị tính tốn thơng qua module Power flow phần mềm PSS/E Điện áp chiều hệ thống HDVC xác định theo phương trình (1): 3X I Udc = Nc d r U cos a - rcc dc - 2R cc Idc n Hình Nguyên lý hoạt động biến đổi HVDC Khoa học & Công nghệ - Số 21/Tháng - 2019 (1) đó: α góc điều khiển van bán dẫn cơng suất, α xác định thơng qua chế độ điều khiển Góc trùng dẫn µ xác định thơng qua góc Journal of Science and Technology 31 ISSN 2354-0575 mở α theo phương trình (2) Idc Xcc n- a n = arccos d cosa U (2) Công suất tác dụng, công suất phản kháng hệ số công suất sau tính tốn theo phương trình (3), (4) (5) 3N U2 PAC = 4rcX `cos _2a i - cos2 _ n + a ij cc (3) 3N U Q AC = 4rcX a 2n + sin _2a i - sin `2 _ n + a ijk (4) cc tan _{ i = 2n + sin _2a i - sin `2 _ n + a ij cos _2a i - cos `2 _ n + a ij (5) Udc = Nc d 2r U `cos _a - 30 i + cos _d + 30 ijn Idc = 2r a Xcc + Rcc k (6) U `cos _a - 30 i - cos _ d + 30 ij (7) 9X I Udc = Nc d r U cos _a - 30 i - rcc dc - 2R cc Idc n (8) Idc Xcc n - 30 (9) c = arccos d cos _a - 30 i U tan _{ i = 2n + sin `2 _a - 30 ij - sin `2 _c + a ij cos `2 _a - 30 ij - cos `2 _c + 30 ij (10) 3N U PAC = 4rcX acos `2 _a - 30 ij - cos2 _c + 30 ik cc Q AC = TT 10 Bus 101 206 211 3011 3018 90001 90002 90003 90004 90005 Nguồn phát NUC-A URBGEN HYDRO_G MINE_G CATDOG_G CLR_ CLR_ CLR_ CLR_ CLR_ P 750 800 900 897 100 24 21 24 21 24 Q 105.8 600 600 170 80 18 15 18 15 18 Bảng Số liệu phụ tải TT Bus 153 154 154 203 205 3005 3007 3008 Phụ tải MID230 DOWNTN DOWNTN EAST230 SUB230 WEST RURAL CATDOG P 200 600 400 300 1200 100 200 200 Q 100 450 350 150 700 50 75 75 (11) 3Nc U2 + ` _ - ij - sin `2 _c + 30 ijk 4rXcc a 2n sin a 30 (12) Sơ đồ mô PSS/E phần mềm phân tích sử dụng rộng rãi cho mơ hệ thống điện Cơng cụ tính tốn phân bố cơng suất PSS/E sử dụng trực tiếp cho hệ thống xoay chiều Bài báo sử dụng phương pháp AC tương đương PSS/E để tính tốn lưu lượng tải AC nhằm tính tốn gián tiếp dịng tải DC lưới điện DC, tức sử dụng thành phần AC để xây dựng hệ thống lưới điện DC tương đương tính dịng điện tương ứng Các kết tính tốn dịng điện AC tương ứng phản ánh phân bố dòng điện DC lưới điện DC Hệ thống điện sử dụng để phân tích mơ sử dụng từ sơ đồ lưới có sẵn tích hợp thêm hệ thống điện gió mơ cho hệ thống điện gió xa bờ Hệ thống mơ xây dựng gồm có 33 nút 32 với cấp điện áp truyền tải 500kV 220kV Thông số nguồn phát phụ tải cho Bảng Bảng Bảng Số liệu nguồn phát Hình Sơ đồ mơ kết nối hệ thống Khoa học & Công nghệ - Số 21/Tháng - 2019 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Kết mô Kịch mô ổn định động xem xét với giả định ngắn mạch xảy góp 220kV bus 3004 hai trường hợp HVAC HVDC Sự cố xảy thời điểm giây thứ kéo dài khoảng 80ms Quan sát kết mơ hình vẽ ta có số kết luận đáp ứng máy phát turbine gió, cụ thể máy phát DFIG Các hình 6, 7, mơ tả biên độ điện áp nút khơi, bờ công suất truyền tải cáp ngầm xoay chiều AC Từ Hình thấy xảy kích động hệ thống, công suất truyền tải gần bị gián đoạn, hay mối liên kết hệ thống điện ngồi khơi với hệ thống điện bờ khơng cịn Điều dẫn tới sụp đổ hệ thống gây cố xếp chồng tức vừa xảy ngắn mạch điểm hệ thống vừa công suất nhóm hay tổ máy phát có cơng suất lớn Hình Dao động điện áp máy phát điện gió Hình Cơng suất tác dụng phản kháng cáp ngầm HVAC Hình Điện áp nút bờ Hình 10 Điện áp nút bờ Hình Cơng suất phát máy phát điện gió Khoa học & Cơng nghệ - Số 21/Tháng - 2019 Hình 10 mơ tả dao động điện áp nút điện áp điển hình có biên độ nhỏ Điều chứng tỏ xảy kích động hệ thống, cơng suất đường dây liên kết chiều hệ thống điện hệ thống điện ngồi khơi dao động khơng đáng kể, dẫn tới điện áp nút phụ tải giữ ổn định Journal of Science and Technology 33 ISSN 2354-0575 xảy kích động hệ thống điện, ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động bình thường turbine, sử dụng hệ thống HVDC tốc độ gió thay đổi, điện áp cơng suất trì ổn định Cơng nghệ truyền tải lập cách hiệu ảnh hưởng vận hành hệ thống điện gió tới hệ thống điện Hình 11 Công suất tác dụng phản kháng cáp ngầm HVDC Hình 11 mơ tả cơng suất tác dụng phản kháng đường dây HVDC Như xảy kích động, mối liên lạc hệ thống điện gió ngồi khơi trì công suất truyền tải bị suy giảm 50% giá trị, đồng thời lúc công suất phản kháng đường dây HVDC xấp xỉ không Chứng tỏ, so với truyền tải HVAC, HVDC cho tổn thất công suất thấp hơn, thời gian biên độ dao động điện áp, dao động công suất nhỏ so với hệ thống truyền tải bẳng cáp HVAC Như vậy, với hệ thống truyền tải HVAC Kết luận Bài báo thảo luận vấn đề truyền tải điện từ trang trại phát điện sức gió ngồi khơi cáp ngầm xoay chiều cáp ngầm chiều Kết nghiên cứu cho thấy, giải pháp sử dụng HVDC để kết nối trang trại gió ngồi khơi với lưới có bờ giảm tổn thất công suất, hạn chế dao động công suất Mục tiêu nghiên cứu thực đánh giá đáp ứng máy phát điện gió tác động qua lại xảy kích động hệ thống có sử dụng giải pháp truyền tải chiều cao áp HVDC Điều đặc biệt quan trọng theo dự báo, cơng suất lắp đặt trang trại phát điện sức gió ngồi khơi chiếm phần đáng kể tương lai Việc lượng lượng công suất sau xảy cố thiếu công suất phản kháng q trình xảy cố dẫn đến ổn định sụp đổ hoàn toàn hệ thống điện Bài báo dừng lại xem xét vấn đề ổn định độ hệ thống, chưa xem xét đến vấn đề chi phí Tài liệu tham khảo [1] GWEC - Global Wind Energy Council www.gwec.net [2] Manwell, James F., McGowan, Jon G and Rogers, Anthony L Wind Energy Explained: Theory, Design and Application s.l.: Wiley, 2002 [3] Delivering offshore wind power in Europe - EWEA Report www.ewea.org [4] Xu, Lie and Andersen, Bjarne R Grid Connection of Large Offshore Wind Farms Using HVDC.s.l.: Wiley Interscience, 2005 [5] Lazaridis, Lazaros P Economic Comparison of HVAC and HVDC Solutions for Large Offshore Wind Farms under Special Considerations of Reliability - Master’s Thesis s.l.: Royal Institute of Technology, 2005 [6] Negra, N Barberis, Todorovic, J and Ackermann, T Loss Evaluation of HVAC and HVDC transmission solutions for large offshore wind farms s.l.: Elsevier, 2006 [7] Zubiaga, M., et al Evaluation and selection of AC transmission lay-outs for large offshore wind farms s.l.: IEEE, 2009 [8] Wiechowski, W and Eriksen, P Selected Studies on Offshore Wind Farm Cable Connections Challenges and Experience of the Danish TSO s.l.: IEEE, 2008 [9] Wright, Sally D., et al Transmission Options for Offshore Wind Farms in the United States s.l.: AWEA, 2002 [10] Kirby, N M., et al HVDC Transmission for Large Offshore Wind Farms s.l.: IEEE, 2002 [11] Siemens PTI, User Manual PSS/E V34, 2016 34 Khoa học & Công nghệ - Số 21/Tháng - 2019 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 STUDY ON HDVC INTERCONNECTION OF OFFSHORE WIND FARMS Abstract: The construction of offshore wind farms is the next step for wind power use in coastal countries around the world The connection between offshore wind farms and onshore grids with a distance of more than 50 km over capacity of offshore 100 MW installed, the HVDC (High Voltage Direct Current) technology has more benefits than the Transmission technology by AC current HVAC (High Voltage Alternating Current) This paper presents the connection of offshore systems to onshore grids via HVDC transmission technology Specific studies are carried out in both the steady-state mode and the transient mode of power system Keywords: Offshore wind power, HVDC, Line commutated converters, Voltage source converters Khoa học & Công nghệ - Số 21/Tháng - 2019 Journal of Science and Technology 35 ... lưới điện DC Hệ thống điện sử dụng để phân tích mơ sử dụng từ sơ đồ lưới có sẵn tích hợp thêm hệ thống điện gió mơ cho hệ thống điện gió xa bờ Hệ thống mơ xây dựng gồm có 33 nút 32 với cấp điện áp. .. mạng lưới bờ ngầm chiều Hình Sơ đồ nguyên lý kết nối hệ thống Hệ thống truyền tải HVDC sử dụng biến đổi điện tử công suất lớn hai đầu cáp truyền tải Hiện công nghệ truyền tải HVDC sử dụng rộng... đề truyền tải điện từ trang trại phát điện sức gió ngồi khơi cáp ngầm xoay chiều cáp ngầm chiều Kết nghiên cứu cho thấy, giải pháp sử dụng HVDC để kết nối trang trại gió ngồi khơi với lưới có bờ