(Luận văn thạc sĩ) 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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN VIẾT TRỊ C C R L T NÂNG CAO KHẢ NĂNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG BẰNG HỆ THỐNG HDVC CÓ XÉT ĐẾN SỰ PHÁT TRIỂN DU CỦA CÁC NGUỒN NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO TRONG TƢƠNG LAI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Đà Nẵng, năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN VIẾT TRỊ C C NÂNG CAO KHẢ NĂNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG BẰNG HỆ THỐNG HDVC CÓ XÉT ĐẾN SỰ PHÁT TRIỂN R L T CỦA CÁC NGUỒN NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO TRONG TƢƠNG LAI DU Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS DƢƠNG MINH QUÂN Đà Nẵng, năm 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tôi, hướng dẫn TS Dương Minh Quân Các tài liệu, số liệu liên quan công bố trước ngành điện Việt Nam số tổ chức khoa học giới hệ thống lượng tái tạo truyền tải điện chiều HVDC trích dẫn nguồn cụ thể Kết nghiên cứu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn C C DU R L T Nguyễn Viết Trị ii 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 việc nâng cấp hệ thống điện với mục tiêu chất lượng điện giảm tổn hao hệ thống tiến hành ứng dụng vào thực tế Trong đó, truyền tải lượng chiều HVDC ngày trọng nghiên cứu cho việc cung cấp lượng với công suất truyền tải lớn, khoảng cách xa, đặc biệt phù hợp ứng dụng với hệ thống điện có xâm nhập ngày sâu lượng tái tạo Số lượng dự án HVDC (high voltage direct current) toàn cầu dần tăng lên năm gần phản ánh quan tâm mức công nghệ Với quy mô phát triển hệ thống điện Việt Nam, trình nâng cấp hệ thống điện ứng dụng công nghệ vào truyền tải điện dần nóng lên bối cảnh lượng gió mặt trời kết nối vào lưới ngày nhiều hệ thống truyền tải HVAC khó có khả đáp ứng Hơn nữa, khu vực Miền Trung – Tây Nguyên cầu nối cho Miền Bắc - Nam hệ thống truyền tải lại mang tính chất trọng điểm phải mang lượng điện truyền tải lớn Điều làm cho hệ thống lưới truyền tải xuống cấp cần bảo dưỡng, thay Đề tài tiến hành ứng dụng mô hệ thống truyền tải HVDC cho lưới điện truyền tải thực tế Từ cho thấy lợi ích mà hệ thống mang lại, tạo sở tham khảo cho dự án thực tế Từ khóa: HVDC; HVAC; Năng lượng tái tạo; truyền tải; VSC C C R L T DU 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, longdistance, 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 iii 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 Đặt vấn đề .1 Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu .2 Phương pháp nghiên cứu .2 Ý nghĩa thực tiễn khoa học đề tài Cấu trúc luận văn C C R L T CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO VÀ HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN MỘT CHIỀU HVDC DU 1.1 Thực trạng phát triển nguồn lượng tái tạo 1.1.1 Tổng quan lượng tái tạo 1.1.2 Tình hình phát triển lượng tái tạo năm gần 1.2 Tổng quan lưới điện thông minh ứng dụng hệ thống truyền tải điện chiều HVDC 1.2.1 Lưới điện thông minh - Smart grid 1.2.2 Microgrid 1.3 Sơ lược hệ thống truyền tải điện 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 HVDC phát triển lượng tái tạo 12 1.3.5 Nguyên lý hoạt động HVDC 13 1.3.6 Ứng dụng hệ thống HVDC 14 1.4 Cấu tạo hệ thống HVDC phần tử 15 1.5 Các chuyển đổi hệ thống HVDC 19 1.5.1 LCC .19 1.5.2 VSC .20 1.5.3 So sánh LCC-HVDC VSC-HVDC 20 iv 1.6 Kết luận 21 CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ CHUYỂN ĐỔI VSC TRONG HỆ THỐNG HVDC .23 2.1 Ứng dụng chuyển đổi VSC hệ thống HVDC 23 2.2 Các phương pháp chuyển hệ tọa độ 24 2.3 Điều khiển VSC hệ tọa độ dq .25 2.3.1 Cấu trúc hệ thống VSC 25 2.3.2 Chế độ dòng điện điều khiển chế độ điện áp 26 2.3.3 Mơ hình động điều khiển công suất 28 2.3.4 Vịng lặp khóa pha 29 2.3.5 Bộ điều khiển công suất tác dụng/phản kháng chế độ điều khiển dòng điện .30 2.3.6 Điều khiển dòng điện VSC 31 C C 2.3.7 Điện áp DC-Bus 33 2.4 Kết luận 34 R L T CHƢƠNG HIỆN TRẠNG LƢỚI 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 DU 3.1.2 Quy hoạch dự án lượng tái tạo khu vực lưới điện 38 3.2 Lựa chọn khu vực ứng dụng hệ thống HVDC 39 3.3 Giới thiệu phần mềm mô ETAP 40 3.3.1 Các khả tính tốn phần mềm ETAP 40 3.3.2 Các phần tử 43 3.3.3 Mô HVDC ETAP .50 3.4 Kết luận 52 CHƢƠNG ỨNG DỤNG PHẦN MỀM XÂY DỰNG MƠ HÌNH LƢỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI TÍCH HỢP HỆ THỐNG HVDC 53 4.1 Xây dựng mơ hình hệ thống 53 4.1.1 Xây dựng mơ hình phần ETAP 53 4.1.2 Các trường hợp mô 55 4.2 Kết mô 56 4.2.1 Mô trào lưu công suất chế độ cực đại 56 4.2.2 Mô trào lưu công suất chế độ cực tiểu .61 4.2.3 Tính tốn ngắn mạch .67 v 4.3 Phân tích, đánh giá kết .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) C C DU R L T vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, THUẬT NGỮ Từ viết tắt / Giải thích nghĩa Thuật ngữ HVDC Truyền tải chiều điện áp cao HVAC Truyền tải xoay chiều điện áp cao SG Lưới điện thơng minh IEA Chi phí gia công, lắp dựng giá đỡ dàn pin mặt trời LCOE Chi phí bình qn tồn cầu điện 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 C C R L T Dòng điện chiều DC Dòng điện xoay chiều AC PWM PCC DU Phương pháp điều rộng xung Điểm kết nối chung vii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 3.1 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 Tên bảng Trang Hiện trạng tổn thất dường dây truyền tải tháng 06/2019 Thông số đường dây khu vực lưới điện Kon Tum – Gia Lai Công suất truyền tải đường dây sử dụng HVAC chế độ cực đại Điện áp sử dụng HVAC chế độ cực đại Tổn thất công suất điện áp lưới sử dụng HVAC chế độ cực đại Công suất truyền tải đường dây sử dụng HVDC chế độ cực đại Điện áp sử dụng HVDC chế độ cực đại Tổn thất công suất điện áp lưới sử dụng HVDC chế độ cực đại Công suất truyền tải đường dây sử dụng HVAC chế độ cực tiểu Điện áp sử dụng HVAC chế độ cực tiểu Tổn thất công suất điện áp lưới sử dụng HVAC chế độ cực tiểu Công suất truyền tải đường dây sử dụng HVDC chế độ cực tiểu Điện áp sử dụng HVDC chế độ cực tiểu Tổn thất công suất điện áp lưới không sử dụng HVDC chế độ cực tiểu So sánh tổn thất công suất điện áp rơi chế độ cực đại So sánh tổn thất công suất điện áp rơi chế độ cực tiểu 36 53 C C DU R L T 57 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 66 69 70 viii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 Tên hình Trang Tình tình phát triển lượng tái tạo năm 2018 Hiện trạng lượng tái tạo giới phân chia theo khu vực Mơ hình lưới điện sử dụng HVDC Chức SG Cấu hình hệ thống Microgrid chức Sơ đồ nguyên lí hệ thống truyền tải HVDC Sơ đồ hệ thống HVDC lưỡng cực Cấu trúc biến đổi 12 xung Hình ảnh module Thyristor Bộ lọc xoay chiều Bộ lọc DC Cuộn kháng san Nguồn công suất phản kháng tụ điện Cấu trúc LCC – HVDC VSC - HVDC So sánh LLC VSC Cấu trúc VSC-HVDC Dạng sóng phép biến đổi Clarke Giản đồ vector chuyển hệ tọa độ αβ sang hệ tọa độ dq ngược lại Sơ đồ nguyên lý hệ thống VSC tần số đặt lưới Sơ đồ điều khiển công suất tác dụng/công suất phản kháng chế độ điều khiển điện áp Sơ đồ điều khiển công suất tác dụng / phản kháng điều khiển chế độ dòng điện Sơ đồ khối điều khiển PLL Sơ đồ sơ lược PLL Sơ đồ khối hệ thống điều khiển dòng điện VSC Sơ đồ lưới điện truyền tải khu vực Kon Tum – Gia Lai Giao diện Etap Các chức tính toán Các phần tử AC Các thiết bị đo lường, bảo vệ C C DU R L T 10 14 15 15 16 16 17 17 18 20 21 23 24 25 25 26 27 30 30 32 35 40 41 41 42 71 đáp ứng nhu cầu phụ tải Điều đồng nghĩa chi phí cho việc xây dựng hệ thống HVDC tăng lên Mặt khác, nhờ vào việc giảm tổn hao công suất lưới, điện áp nâng lên 4.3.2 Tính tốn ngắn mạch Trong q trình mơ ngắn mạch, thấy với kết hình 4.9 4.10, dịng ngắn mạch đổ RES thấp nhiều sử dụng hệ thống HVDC Cụ thể hơn, dạng sóng dịng ngắn mạch rõ hình 4.11 C C R L T DU Hình 4.11 Dạng sóng dịng điện ngắn mạch RES Với trường hợp sử dụng đường dây AC, dòng ngắn mạch đổ RES có giá trị trung bình đạt 20 kA giá trị đỉnh sóng 30 kA Nguyên nhân tồn cơng suất từ nguồn lưới điện truyền trực tiếp Điều đỏi hỏi đường dây cần phải bảo vệ thiết bị có dịng cắt cao Trường hợp lại, với HVDC, dòng điện ngắn mạch đạt 1.05 kA biên độ cực đại sóng dịng ngắn mạch khoảng kA Trong đầu cực chuyển đổi nghịch lưu hay chỉnh lưu HVDC, có nhiều thiết bị bảo vệ xả dòng ngắn mạch (Chopper) tích hợp nhằm bảo vệ linh kiện bên van bán dẫn, phận dễ hư hỏng dòng điện cao điện áp ngược Khi ngắn mạch xảy ra, phận gần động tức, hạn chế dòng ngắn mạch qua DC link chuyển đổi Do đó, độ tin cậy khả vận hành lưới nâng cao sử dụng HVDC giá đầu tư đắt đỏ so với hệ thống AC truyền thống 72 4.4 Kết luận Các kết cho thấy, sử dụng thiết bị HDVC làm giảm tổn hao cơng suất q trình truyền tải điện Ứng dụng thực tế vào tình hình nước ta nay, truyền tải siêu cao áp chiều +/- 500kV có khả ứng dụng cao mà hệ thống điện dần già hóa cần phải nâng cấp, tình hình lượng tái tạo ngày gia tăng C C DU R L T 73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Với quy mô phát triển hệ thống điện Việt Nam, trình nâng cấp hệ thống điện ứng dụng công nghệ vào truyền tải điện dần nóng lên bối cảnh lượng gió mặt trời kết nối vào lưới ngày nhiều hệ thống truyền tải HVAC khó có khả đáp ứng Hơn nữa, khu vực Miền Trung – Tây Nguyên cầu nối cho Miền Bắc - Nam hệ thống truyền tải lại mang tính chất trọng điểm phải mang lượng điện truyền tải lớn Điều làm cho hệ thống lưới truyền tải xuống cấp cần bảo dưỡng, thay Đề tài ứng dụng phần mềm ETAP cho thấy lợi ích hệ thống HVDC mang lại so với HVAC Các kết thu dùng làm sở tham khảo cho trình quy hoạch nâng cấp lưới điện sau Tuy nhiên, luận văn tồn vài hạn chế Quá trình ổn định động hệ thống chưa phân tích sâu hạn chế phần mềm Ngồi ra, luận C C R L T văn tập trung vào yếu tố kỹ thuật, tiêu chí kinh tế xây dựng vận hành HVDC so với HVAC chưa tính đến DU Kiến nghị Nhược điểm phần mềm ETAP mô hệ thống HVDC chưa thể mô trình ổn định động (Transient Stability) hệ thống thấy đáp ứng xác ứng dụng HVDC vào truyền tải Và mặt cịn hạn chế đề tài Trong tương lai, hướng phát triển để tài tích hợp nguồn lượng tái tạo với mô trình ổn định động với nhiều trường hợp cố để đưa kết xác, mở điều kiện thuận lợi để ứng dụng hệ thống HVDC vào lưới Truyền tải điện Việt Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Hồ Anh Dương, Nghiên cứu tổng quan hệ thống truyền tải lượng chiều hvdc phương pháp điều khiển chuyển đổi nguồn áp VSC, Đồ án tốt nghiệp, Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng [2] Bùi Tiến Việt, Nghiên cứu áp dụng công nghệ truyền tải điện áp cao chiều Việt Nam Luận văn thạc sỹ Tiếng Anh [3] Amirnaser Yazdani, Reza Iravani, “Voltage-Sourced Converters in Power Systems: Modeling, Control, and Applications” [4] Etap 16.00 User Guide [5] Jingbo H., Mingjie L., Jun Y., Qing C., Tao X., and Zhao Y., "Research on dynamic characteristics and countermeasures of AC-DC hybrid power system with large scale HVDC transmission", in Power System Technology C C R L T (POWERCON), 2014 International Conference on, 2014, pp 799-805 [6] Ling Xu, Modeling, Analysis and Control of Voltage-Source Converter in DU Microgrids and HVDC, University of South Florida [7] Meah K and Ula S., "Comparative Evaluation of HVDC and HVAC Transmission Systems," 2007 IEEE Power Engineering Society General Meeting, Tampa, FL, 2007, pp 1-5 [8] Meah K and S Ula, "Comparative Evaluation of HVDC and HVAC Transmission Systems," 2007 IEEE Power Engineering Society General Meeting, Tampa, FL, 2007, pp 1-5 [9] Mbangula K N I, Davidson I E and Tiako R, “Improving Power System Stability of South Africa’s HVAC Network Using Strategic Placement of HVDC Links” Proceedings of the CIGRE International Symposium 2015 Development of Electricity Infrastructures for Sub-Saharan Africa, Cape Town, South Africa, October 26-30, 2015 [10] Oni O E., I E Davidson and K N I Mbangula, "A review of LCC-HVDC and VSC-HVDC technologies and applications," 2016 IEEE 16th International Conference on Environment and Electrical Engineering (EEEIC), Florence, 2016, pp 1-7 [11] Renewable capacity highlights in irena.com [12] The Vietnamese Prime Minister, “Approval of the Revised National Power Development Master Plan for the 2011-2020 Period with the Vision to 2030”, Decision No 428/QD-TTg, March 18, 2016 Trang web [13] “Dolwin1”,http://www.abb.com/industries/ap/db0003db004333/8b74a5fe4cc03e 44c125777c003f3203.aspx C C DU R L T C C U D R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T ... Nguyễn Viết Trị ii 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... hiểu hệ thống truyền tải điện chiều HVDC phân tích đây, học viên chọn đề tài ? ?Nghiên cứu ứng dụng hệ thống truyền tải điện chiều HVDC nhằm nâng cao khả truyền tải điện có xét đến phát triển nguồn. .. truyền tải điện chiều HVDC 1.1 Thực trạng phát triển nguồn lượng tái tạo 1.2 Tổng quan lưới điện thông minh ứng dụng hệ thống truyền tải điện chiều HVDC 1.3 Sơ lược hệ thống truyền tải điện chiều