6. Kết cấu của đề tài
2.4.2Công suất phản kháng và cường độc ủa hệ thống AC
Từ phương trình (2.10), Vd Vd0cosRcId, hệ số công suất được tính bởi:
d d c d d c V I X V I R cos cos 3 cos 0 (2.68)
Như vậy mỗi bộ biến đổi sẽ gia tăng tiêu thụ công suất phản kháng khi tăng công suất truyền tải. Thông thường góc kích trễ chỉnh lưu và góc tắt sớm tại nghịch lưu nằm trong khoảng 15ođến 20o và điện áp đảo mạch Xc là 15% thì một bộ biến đổi tiêu thụ khoảng 50 đến 60% lượng công suất phản kháng (nghĩa là Pd = 1.0pu, thì Q thu vào tại mỗi biến đổi là 0.5 đến 0.6pu). Lượng công suất phản kháng yêu cầu được cung cấp bởi các tụđiện kết hợp với các nhóm lọc họa tần.
Cách rẻ nhất để cung cấp công suất phản kháng cho trạm HVDC là dùng các bộ nối shunt. Do lượng công suất phản kháng tiêu thụ tùy thuộc vào công suất truyền tải trên đường dây DC nên các tụ điện phải có những dung lượng thích hợp
được điều khiển bằng các khóa đóng cắt nhằm giữ cho điện áp xác lập của nút AC
được giữ trong một dãy chấp nhận được (thông thường ± 5%) tại tất cả các mức tải.
Điều này cũng bị ảnh hưởng bởi cường độ của hệ thống AC. Hệ thống AC càng mạnh thì dung lượng của những nhóm điều khiển được đó phải lớn để có thể tương
ứng với sự thay đổi điện áp trong khoảng chấp nhận được. Đối với một hệ thống AC yếu cần thiết phải cung cấp công suất phản kháng bằng các bộ SVC hay máy bù
đồng bộ. 2.4.3 Những vấn đề của hệ thống có giá trị ESRC nhỏ Vài vấn đề gặp phải của hệ thống AC kết nối yếu: - Quá điện áp động. - Mất ổn định điện áp. - Cộng hưởng họa tần bậc cao. - Dao động thoáng qua của điện áp.
2.4.3.1 Quá điện áp động
Khi có một sự ngưng truyền công suất DC, công suất phản kháng tiêu thụ của các biến đổi HVDC rơi xuống không. Với hệ thống ESCR thấp, điện áp xoay chiều
sẽ tăng lên do dư một lượng công suất phản kháng của tù bù và bộ lọc họa tần bơm vào. Điều này làm cho các thiết bị trên hệ thống phải có mức cách điện cao và chi phí cũng tăng rất nhiều. Nó có thể gây sự cố cho thiết bị của khách hàng.
2.4.3.2 Mất ổn định điện áp
Đối với một hệ thống DC nối với hệ thống AC yếu, đặc biệt là phía nghịch lưu thì cả điện áp xoay chiều lẫn một chiều đều rất nhạy cảm với sự biến đổi của tải. Một sự gia tăng điệnáp một chiều đi kèm với một sự cố của điện áp xoay chiều, hậu quả là sự gia tăng công suất thực tế nhỏ hay có thể bỏ qua. Điều khiển điện áp và phục hồi sau nhiễu loạn trở nên khó khăn. Đáp ứng của hệ thống DC cũng lại góp phần làm sụp đổ hệ thống AC, độ nhạy cảm càng tăng nếu như số lượng tù bù nối vào càng lớn.
Như vậy ở những điện áp như vậy sự điều khiển của hệ thống DC góp phần làm mất ổn định điện bởi nó phản ứng theo hướng làm giảm điện áp xoay chiều do bởi những lý do sau:
- Điều khiển công suất làm tăng dòng một chiều lên.
- Góc tắt sớm ở nghịch lưu có thể tăng lên để giữ biên giới mạch volt – giây. - Bộ nghịch lưu sẽ hút nhiều công suất phản kháng, hậu quả là làm sụt áp,
đồng thời do sụt áp đó mà các tụ bù cung cấp càng ít công suất phản kháng, cứ như
thế gây mất ổn định.
- Điện áp xoay chiều bị giảm và cứ thế làm trầm trọng thêm tình hình. Hậu quả là sụp đổđiện áp sẽ xảy ra.
2.4.3.3 Cộng hưởng họa tần
Phần lớn những vấn đề cộng hưởng họa tần bậc cao do bởi cộng hưởng song song giữa tụ bù, bộ lọc họa tần và hệ thống AC tại những tần số thấp. Các tụđiện có xu hướng làm giảm thấp tần số cộng hưởng tự nhiên của hệ thống AC trong khi các thành phần cảm kháng có xu hướng gia tăng các tần số này. Nếu như thêm vào một lượng dung kháng lớn, thì tần số cộng hưởng tự nhiên được nhìn từ các nút đảo mạch giảm xuống ở bậc 4, bậc 3 và thậm chí bậc 2. Nếu như cộng hưởng xảy ra ở
các thành phần cảm và thành phần dung của nút. Một trạng thái cộng hưởng nối tiếp tần số thấp có thể xuất hiện tại một điểm xa trên hệ thống. Điện áp các họa tần từ
các điểm có xu hướng được khuếch đại lên. Tránh những tình trạng cộng hưởng tần số thấp kể trên đặc biệt là tránh quá áp quá độ.
2.4.3.4 Dao động bất thường điện áp
Một đặc tính của hệ thống AC yếu là sựđóng cắt những tụ bù hay cuộn kháng nên những thay đổi điện áp khá lớn không cho phép ở những vùng lân cận với các thiết bị bù. Dao động điện áp quá độ do bởi các thết bị kháng điện thao tác thường xuyên gia tăng.
2.4.3.5 Các giải pháp cho các vấn đề này
Giải pháp truyền thống để giải quyết vấn đề tương tác của hệ thống AC/DC với phía AC yếu thì dùng các máy bù đồng bộ hay SVC. Hơn thế nữa, điều khiển HVDC cho phép điều khiển dòng một chiều đểđiều khiển tần số giảm giá trị của nó khi mà điện áp xoay chiều giảm thấp sẽ cải thiện tình trạng này.
Sử dụng máy bù đồng bộ còn làm giảm đáng kể tổng trở của hệ thống, nhờđó dịch chuyển tần số cộng hưởng song song đến các giá trị cao hơn mà tại đó sự tắt dần của hệ thống luôn luôn tốt hơn. Do đó, có mạch cầu 12 nhịp vì không có các bộ
lọc nhỏ hơn bậc 11 nên xác suất bị kích thích cộng hưởng song song tại các mức họa tần này là nhỏ.
Một giải pháp khác nữa là điều khiển bản thân bộ biến đổi DC mà lượng công suất phản kháng điều chỉnh thích hợp với những biến động của điện áp theo cách tương tự như SVC. Tụ bù ngang và bộ lọc sẽ được cung cấp lượng công suất phản kháng yêu cầu còn bộ chuyển đổi sẽ giữ ổn định điện áp AC bằng điều khiển góc kích α. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
CHƯƠNG 3
SO SÁNH GIỮA HỆ THỐNG HVAC VÀ HVDC
3.1 Ảnh hưởng của công suất và khoảng cách truyền tải
Chi phí đầu tư cho hệ thống truyền tải điện chịu sự ảnh hưởng chính của 2 khía cạnh: điện và cơ khí. Cả hai yếu tố này có mối quan hệ mật thiết, quyết định đến thiết kế hệ thống truyền tải.
Trong phần điện, công suất truyền tải sẽ quyết định đến sự lựa chọn điện áp, số mạch đường dây, hay nói cách khác, ảnh hưởng rất lớn đến chi phí đầu tư. Ngoài ra còn có các yếu tố điện khác là công suất tải sự cố, bù công suất phản kháng của đường dây xoay chiều.
Tổn thất công suất ảnh hưởng lớn đến chi phí vận hành, do đó thường được tối ưu hóa khi lựa chọn tiết diện dây dẫn trong một cấp điện áp truyền tải cho trước. Thiết kế cách điện được xác định bởi cấp điện áp truyền tải, các quy định về khoảng cách an toàn, điều kiện môi trường khí hậu và chất lượng vật liệu cách điện. Cấp cách điện ảnh hưởng chính đến chi phí đầu tư cho xây dựng cột điện.
Hiện tượng phóng điện vầng quang ảnh hưởng chính đến cấu trúc phân pha của dây dẫn, do đó liên quan đến thiết kế chịu lực của cột (trọng lượng dây dẫn, tải trọng gió, băng tuyết).
Ngoài ra, bất kỳ những quy định, ràng buộc nào về cường độ điện trường tại mặt đất cũng ảnh hưởng đến thiết kế cột, vị trí các pha và chi phí giải tỏa, đền bù cho hành lang tuyến.
Tóm lại, đối với với phần cơ khí, chi phí đầu tư cho cột điện, cách điện và dây dẫn phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc phân pha của dây dẫn trong điều kiện môi trường nhất định.
3.1.1 Ảnh hưởng của công suất truyền tải
Công suất truyền tải của đường dây siêu cao áp xoay chiều bị giới hạn bởi sự tiêu thụ công suất phản kháng của điện cảm đường dây. Khi công suất tải lớn hơn công suất tự nhiên, công suất cảm kháng của đường dây sẽ vượt quá công suất dung
kháng phát ra bởi điện dung đường dây. Người ta thường lắp thêm các bộ tụ bù dọc đường dây để tăng khả năng tải lên tới 150 - 200% công suất tự nhiên của đường dây.
Công suất giới hạn về nhiệt thường không quyết định tới công suất tải cho các đường dây dài siêu cao áp xoay chiều, mà chủ yếu là do giới hạn về sự tiêu thụ công suất phản kháng.
Công suất tải sự cố phụ thuộc vào nhiệt độ cho phép của dây dẫn và các ràng buộc về công suất phản kháng. Yêu cầu về công suất tải sự cố được quyết định bởi số mạch song song.
Trong khi đó, đối với đường dây siêu cao áp 1 chiều, công suất truyền tải bị giới hạn chủ yếu bởi nhiệt độ cho phép dây dẫn trong điều kiện vận hành bình thường. Công suất tải sự cố cũng được quyết định bởi số mạch và nhiệt độ cho phép của đường dây trong trường hợp vận hành sự cố.
Như vậy, trên quan điểm công suất truyền tải, khi so sánh giữa truyền tải siêu cao áp một chiều và xoay chiều, truyền tải một chiều chỉ bị giới hạn chính bởi công suất nhiệt do không có công suất phản kháng trên đường dây truyền tải.
3.1.1.1 Xác định số mạch đường dây truyền tải
Về cơ bản, số mạch đường dây truyền tải được xác định bởi công suất và điện áp truyền tải. Bảng sau mô tả yêu cầu về số mạch truyền tải đối với lượng công suất 8 GW và 12 GW[21]:
Bảng 3.1 Yêu cầu số mạch truyền tải đối với lượng công suất 8GW và 12GW
Hệ thống truyền tải Điện áp Khoảng cách phân pha Giới hạn nhiệt đường dây Giới hạn nhiệt của trạm Công suất tự nhiên 1.5*CS tự nhiên Số mạch yêu cầu kV mm GW GW GW GW 8GW 12GW HVAC 800 5 × 35 7.5 5.5 2.5 3.8 4 5 1000 8 × 35 15 6.9 4.3 6.5 3 3 HVDC +/- 600 3 × 50 8 5.8 Không có Không có 2 3 +/- 800 5 × 50 17.7 5.8 Không có Không có 2 3
Số mạch đường dây truyền tải phụ thuộc các yếu tố sau:
- Vận hành sự cố: Khi một đường dây siêu cao áp xoay chiều hoặc 1 chiều không làm việc.
- Giới hạn nhiệt: 1.5 A/mm2 đối với dây dẫn.
- Giới hạn nhiệt 4 kA đối với các thiết bị trong trạm của hệ thống HVAC. Đối với hệ thống HVDC, ở cấp điện áp 420 kV phía xoay chiều thì giới hạn nhiệt cho mỗi cực là 2.9 GW, ở cấp 500kV là 3.4 GW/cực.
Phụ tải của đường dây HVAC không vượt quá công suất tự nhiên (SIL) trong điều kiện bình thường, và không quá 150 % SIL trong chế độ sự cố.
3.1.1.2 Tổn thất trên đường dây
Sự lựa chọn thiết kế hệ thống truyền tải HVAC và HVDC sẽ được tối ưu hóa giữa chi phí đầu tư cho đường dây, trạm và tổn thất truyền tải.
Đối với đường dây siêu cao áp xoay chiều, tổn thất công suất tác dụng được xác định bởi tiết diện ngang của dây dẫn. Tổn thất vầng quang xoay chiều cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến thiết kế cấu trúc phân pha của dây.
Trong điều kiện thời tiết bình thường, tổn thất vầng quang chỉ đạt vài kW/km, nhưng trong điều kiện trời mưa hoặc nhiều sương mù, tổn thất vầng quang có thể đạt đến 10-100 kW/km.
Hình 3.2 Tổn thất truyền tải theo chiều dài (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ảnh hưởng của độ cao đến tổn thất vầng quang cũng rất lớn, ở cao độ 1800m so với mặt nước biển, tổn thất vầng quang tăng lên 4 lần.
Tổn thất công suất trong truyền tải cao áp 1 chiều cũng phụ thuộc vào tiết diện ngang của dây dẫn, và được tính toán tương tự như truyền tải xoay chiều.
Tuy nhiên, tổn thất vầng quang của hệ thống HVDC không được tính toán kỹ như HVAC, do trong các điều kiện thời tiết khác nhau (mưa, sương mù), tổn thất vầng quang chỉ tăng 2 – 3 lần. Hiệu ứng về độ cao đối với tổn thất vầng quang của HVDC cũng tương tự như HVAC.
3.1.2 Ảnh hưởng của khoảng cách truyền tải
Truyền tải siêu cao áp 1 chiều có lợi thế về hành lang tuyến và chi phí xây dựng đường dây nhưng chi phí cho trạm chuyển đổi cao hơn chi phí xây dựng các trạm biến áp xoay chiều. Do đó, khi đường dây càng dài, truyền tải HVDC càng có lợi thế.
Biểu đồ so sánh chi phí đầu tư khi truyền tải 10.000 MW và 3500 MW ở các khoảng cách khác nhau:
Hình 3.3 Chi phí đầu tư khi P = 3500 MW
Công suất truyền tải 3500 MW, truyền tải HVDC +/- 500 kV có lợi từ 400km trở lên.
Hình 3.4Chi phí đầu tư khi P = 10.000 MW
Công suất truyền tải 10.000 MW, truyền tải 800 kV HVDC có lợi thế từ 600km trở lên.
3.2 Ảnh hưởng của các yếu tố khác 3.2.1 Điện trường và vầng quang điện 3.2.1 Điện trường và vầng quang điện
Điện trường tĩnh của đường dây một chiều tại mép hành lang tuyến sẽ được tính toán sao cho có giá trị tương đương với cường độ điện trường trái đất. Hiện nay chưa có nghiên cứu nào chứng minh được điện trường sinh ra tại mép hành lang tuyến có thể ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
Điện trường sinh ra từ đường dây xoay chiều thường được xem xét kỹ lưỡng hơn so với điện trường của đường dây một chiều.
3.2.2 Thiết kế cách điện
Thiết kế cách điện của đường dây HVAC và HVDC có một chút khác biệt. Khoảng cách an toàn là thông số quan trọng trong thiết kế cơ khí cột điện.
Đối với HVAC, khoảng cách an toàn tăng nhanh cùng với cấp điện áp, còn đối với HVDC, khoảng cách an toàn tăng chậm hơn. Việc lựa chọn cách điện cho hệ thống HVAC tương tự như cho các hệ thống xoay chiều điện áp thông thường. Các loại cách điện thông thường vẫn được sử dụng cho HVAC, vật liệu cách điện composite sẽ được cân nhắc lựa chọn khi truyền tải trong môi trường ô nhiễm hoặc yêu cầu đường dây gọn nhẹ. Đối với cách điện của đường dây siêu cao áp, thiết kế của vòng hồ quang (vòng corona) rất quan trọng cho sự làm việc lâu dài ổn định do ảnh hưởng của điện trường tới đặc tính kháng nước của vật liệu cách điện.
Yêu cầu đối với cách điện của đường dây HVDC cao hơn so với cách điện đường dây xoay chiều cùng cấp điện áp danh định, nguyên nhân do sức hút của đường dây đối với những hạt bụi tích điện trái dấu trong không khí và ảnh hưởng của điện trường xung quanh dây dẫn. Khi sử dụng loại cách điện thông thường, cấu tạo hình học của cách điện cũng cần được tính toán kỹ hơn, đặc tính vật liệu cách điện cũng được quan tâm nhiều hơn, ví dụ như yêu cầu để ngăn sự di chuyển của các ion trong cách điện thủy tinh.
Vật liệu cách điện composite cũng đang trở thành sự lựa chọn hấp dẫn cho cách điện của đường dây 1 chiều ngay cả khi môi trường ít ô nhiễm. Tuy nhiên, để đạt được tuổi thọ mong muốn, thiết kế của cách điện composite có những yêu cầu
khắt khe hơn so với việc sử dụng trong đường dây xoay chiều, điện trở ăn mòn của vật liệu polymer cũng rất cần được quan tâm.
Các vòng hồ quang của đường dây một chiều nhỏ hơn đáng kể so với đường dây xoay chiều do không có sự dàn đều điện trường dung tính của cách điện 1 chiều. Khi tăng điện áp, chiều dài chuỗi sứ đối với đường dây xoay chiều sẽ tăng nhanh, còn đường dây một chiều tăng chậm hơn.
3.2.3 Ảnh hưởng của độ cao