6. Kết cấu của đề tài
3.2.5 Hành lang tuyến
Hiện nay và trong tương lai, hành lang tuyến luôn là vấn đề khó khăn và tốn kém khi xây dựng các đường dây truyền tải dài. Sự phát triển công nghệ truyền tải điện thực ra cuối cùng là làm tăng công suất truyền tải, giảm giá thành xây dựng và giảm hành lang tuyến. Khi truyền tải lượng công suất tương đương, đường dây HVDC có nhiều lợi thế về hành lang tuyến do thiết kế cột gọn nhẹ hơn, số dây dẫn ít hơn. Hành lang tuyến của cấp AC 800 kV là 75m và DC +/- 500 kV là 50m nhưng có cùng quy mô truyền tải 3000 MW.
Hình 3.7 Số mạch yêu cầu khi truyền tải 6000 MW bằng HVDC và HVAC
3.3 So sánh tính kinh tế của hệ thống HVDC và HVAC
3.3.1 Chi phí đầu tư của hệ thống HVDC
Chi phí đầu tư bao gồm chi phí cho tuyến dây đi, chi phí cho dây dẫn và các phụ kiện, chi phí cho cột điện, chi phí cho cách điện và các biện pháp chống quá áp, chi phí cho các trạm phát và nhận công suất:
- Chi phí cho tuyến dây đi là chi phí phải trả cho khoảng không gian mà tuyến dây dẫn đi qua. Đối với hệ thống DC do chiếm khoảng không gian ít hơn nên chi phí này thấp, đặc biệt trong những khu vực đô thị hay vùng có dân cư thì dùng truyền tải DC rất có lợi.
- Chi phí cho dây dẫn của hệ thống truyền tải DC đặc biệt rẻ hơn rất nhiều so với hệ thống AC có cùng công suất truyền tải bởi vì nó không bị ảnh hưởng bởi
hiệu ứng bề mặt, không tải dòng công suất phản kháng trên đường dây và cũng như là số lượng dây dẫn ít hơn.
- Đi cùng với nó là chi phí cho cách điện, chi phí cho cột điện và các phụ kiện khác của truyền tải điện DC cũng rẻ hơn rất nhiều so với truyền tải điện AC. Đặc biệt là đối với đường dây truyền tải lượng công suất lớn đi xa thì đường dây AC cần thêm một số thiết bị bù ngang và bù dọc rất đắt tiền còn đường dây DC thì không cần.
- Chi phí cho trạm biến đổi khá đắt tiền so với các trạm biến áp thông thường. Trong các loại chi phí kể trên thì chi phí cho việc xây dựng đường dây có khoảng dao động khá lớn, ở mỗi quốc gia do có những điều kiện địa lý, khí hậu, dân cư .. khác nhau thì chi phí này cũng khác nhau khá nhiều, thống kê cho thấy sự khác biệt này có thể lên đến 2,5 lần. Trong khi đó chi phí cho các trạm biến áp hầu như là không khác nhau nhiều lắm. Tuy nhiên cùng với sự phát triển của công nghệ mới trong lĩnh vực điện tử công suất càng ngày giá thành của các thyristor cùng với các thiết bị điều khiển điện tử càng giảm, do vậy chi phí cho các trạm biến đổi sẽ càng giảm và có tính cạnh tranh cao so với trạm biến áp AC.
3.3.2 Phân tích chi tiết với chi phí đầu tư cho hệ thống HVDC
3.3.2.1 Lựa chọn điện áp DC
Trong hệ thống HDVC, điện áp truyền tải có thể lựa chọn một cách tự do để có được giá trị tối ưu về kinh tế của hệ thống. Đối với một lượng công suất định mức đã chọn, điện áp đường dây tối ưu phải được tính toán dựa trên các quan hệ với chi phí cho trạm biến đổi, chi phí đường dây, chi phí tổn thất công suất tổng cộng.
Cách tính toán tương tự như cho đường dây AC, nhưng giới hạn đặt ra bởi hiệu ứng vầng quang cho đường dây AC, còn giảm xuống đáng kể khi tính cho đường dây DC.
Trên thực tế sự phân tích các mối quan hệ kinh tế giữa chi phí cho đường dây DC và trạm biến đổi tách biệt nhau. Một sự tối ưu toàn cục nên quan tâm đến khoảng cách truyền tải và những yếu tố quan trọng khác nhau chẳng hạn như yêu cầu về môi trường.
3.3.2.2 Chi phí của đường dây DC
Hình 3.8 So sánh giữa cột điện và đường dây AC - DC
Chi phí cho đường dây DC thay đổi theo hình 3.9, trong đó mỗi mức điện áp tương ứng với một khoảng cách đánh thủng riêng nên cấu trúc các thiết bị đỡ cáp, chi phí cách điện khác nhau.
Đối với các mức điện áp một chiều dưới 400kV, thì mức điện áp chỉ có ảnh hưởng âm lên chi phí.
Những đường cong chi phí đường dây theo mức điện áp đối với các tải xác định, có thể cả chi phí cho tổn thất thiết bị cho trên hình vẽ 3.10. Đường thấp trên hình biểu thị cho chi phí tổn thất về vay vốn được xem như giống nhau với tất cả các đường cong. Đường cong điện áp tối ưu chỉ ra mức điện áp cao nhất mà tất cả các đường cong cần lưu ý. Trong thực tế thì các giá trị nằm trong khoảng từ 75% đến 80% của giá trị điện áp tối ưu là hợp lý hơn cả khi xem xét trong một số điều kiện như: chiều dài dây, chi phí phụ thuộc điện áp của trạm biến đổi, hê thống sử dụng của đường dây ..v.v.
Hình 3.10 Quan hệ công suất truyền tải trên km ở mỗi mức điện áp theo chi phí Có thể nhận thấy được rằng chi phí tổn thất của đường dây chiếm một phần đáng kể (30 - 35%) của tổng chi phí của đường dây và luôn luôn phải được xét đến. Giả sử rằng một đường dây AC có thể được thiết kế một cách tối ưu kể cả chi phí đầu tư và chi phí tổn thất, ta có thể nói rằng đối với cùng công suất định mức thì tỉ số chi phí giữa đường dây DC và AC là gần bằng 2:3. Quan hệ này có giá trị cho cả vốn đầu tư lẫn chi phí tổn thất. Tuy nhiên trên thực tế nhiều khi không thể thiết kế tối ưu đường dây AC một cách rõ ràng về kinh tế được vì bị giới hạn bởi các yêu
cầu ổn định, hiệu ứng vầng quang…Do đó phải thêm vào một số phụ phí nữa cho vấn đề bù, thay đổi cấu trúc đường dây…v.v. Trong những trường hợp như vậy thì tỉ số chi phí giữa DC và AC có thể lại giảm xuống hơn nữa và có thể đến 1:2 hay thấp hơn.
3.3.2.3 Chi phí cho cáp
Chi phí cho cáp DC thấp hơn cáp AC một cách rõ rệt khi cùng khả năng tải. Kết quả là tỉ số chi phí vào khoảng 1:3 giữa các phương án dùng DC và dùng AC.
Hình 3.11 Các chi phí đặc trưng đối với cáp cách điện rắn
Điều này có thể nhận thấy rõ khi phân tích kỹ thuật trong tuyền tải bằng cáp. Cáp AC do dòng dung nạp vào đường dây nên khoảng cách truyền tải bị giới hạn rất nhiều. Muốn truyền tải bằng cáp AC thì phải thiết lập những trạm bù trung gian tại những khoảng cách định sẵn trên tuyến dây. Đặc biệt khi truyền tải xuyên biển thì dùng cáp AC không thể thực hiện được. Như vậy nếu xét về cả kinh tế lẫn kỹ thuật thì truyền tải điện áp bằng cáp dùng DC là tốt nhất.
3.3.2.4 Chi phí trạm biến đổi HVDC
Bản thân bộ biến đổi là sự hợp thành từ rất nhiều thiết bị, vì vậy chi phí của trạm phụ thuộc nhiều vào kích thước của nó. Sự biến đổi của chi phí theo lượng công suất định mức truyền tải. Nếu mức điện áp cao hơn được chọn (theo sự tối ưu hóa chi phí truyền tải tổng), thì chi phí đơn vị cho mỗi thiết bị cũng tăng lên một
cách bình thường. Chi phí của một trạm nào đó có cấu trúc truyền tải đơn cực với cùng công suất định mức sẽ cao hơn một tí. Điện áp AC ảnh hưởng lên chi phí của trạm HVDC được cho như trên bảng 3.2.
Bảng 3.2 Ảnh hưởng của điện áp AC lên chi phí trạm HVDC Điện áp AC (kV) Chi phí theo phần trăm (%)
130 98 130 100 345 101 500 103.5 765 107
Khi trạm HVDC đặt tại nhà máy phát điện, kết nối trực tiếp giữa các bộ biến đổi với các máy phát riêng lẻ cần được xem xét. Trong trường hợp này thì việc sử dụng trạm HVDC có những lợi ích sau:
- Máy biến áp cho bộ biến đổi không cần có bộ đổi nấc bởi vì các bộ điều chỉnh của máy phát có thể điều khiển điện áp rất tốt.
- Hơn thế nữa với những bộ biến đổi được nối như là tải duy nhất của máy phát, các bộ lọc họa tần cũng không cần thiết do các máy phát được thiết kế chịu được các họa tần.
Như vậy chi phí cho trạm HVDC nối trực tiếp với các nhà máy phát điện sẽ có lợi ích kinh tế còn cao hơn so với các trạm HVDC thông thường khác. Đặc biệt đối với các trạm HVDC Back–to–Back thì chi phí cho trạm chỉ bằng 2/3 chi phí cho trạm HVAC truyền tải đi xa.
Tỉ lệ chi phí của các thành phần của trạm HVDC tiêu biểu được cho trên bảng 3.3. Như vậy xem bảng dưới ta có nhận thấy rằng hầu như các thiết bị chính như máy biến áp, van thyristor chiếm một tỉ lệ chủ yếu trong tổng chi phí cho trạm và thay đổi ít. Còn chi phí thành phần khác như bộ lọc, nguồn công suất phản kháng, thiết bị thông tin và bảo vệ…lại có dải biến động khá lớn. Như vậy các trạm HVDC sẽ có chi phí thay đổi phụ thuộc chủ yếu vào sự biến đổi về giá cả của các thành
phần có độ biến động về giá cao, và cũng có quan hệ với đặc điểm riêng của mỗi hệ thống AC được kết nối.
Bảng 3.3 Chi phí các thành phần hệ thống HVDC như là phần trăm của chi phí toàn bộ (Chi phí này được qui về giá năm 1996)[6] STT Thành phần +/-205kW 500MW +/-350kW 1000MW +/-500kW 3000MW
1 Máy biến áp bộ biến đổi 21.3% 21.7% 22.0% 2 Hệ thống van 21.0% 21.3% 21.7%
3 Bộ lọc và nguồn công suất phản kháng
15.7% 15.3% 15.3%
4 Các chi phi phụ (thông tin, cuộn
kháng DC, chống sét, relay…) 8% 8% 7.7% 5 Kỹ thuật (thiết kế kỹ thuật, quản lý
dự án)
18% 17.3% 17.3%
6 Xây dựng và lắp đặt tại công trường
16% 16% 16%
Tổng chi phí (Triệu USD) 145.0 213.7 451.7
chi phí $/kW/Trạm 145 107 75
Trạm chuyển đổi có công suất càng lớn thì suất đầu tư càng nhỏ, với qui mô công suất từ 1000 - 3000MW/trạm, kiến nghị lấy suất đầu tư 100USD/kW/trạm đưa vào tính toán.
3.3.3 Chi phí vận hành của hệ thống HVDC
Chủ yếu là chi phí do tổn thất điện năng. Trong truyền tải điện DC theo thống kê thì tổn thất trên đường DC chỉ bằng 70 – 85% lượng tổn thất trên đường truyền tải AC có cùng công suất truyền tải.
3.3.3.1 Tổn thất của đường dây
Do truyền tải HVDC không tải công suất phản kháng trên đường dây nên tổn thất trên đường dây DC thấp hơn đường dây AC. Theo thống kê khi xét một số đường dây truyền tải 1200MW với chiều dài từ 500km đến 1000km thì nhận thấy
đường dây HVDC tổn thất ít hơn đường dây HVAC từ 14% đến 24%. Tuy nhiên khi khoảng cách này khoảng 250km thì độ lợi này chỉ đủ bù cho tổn thất của trạm biến đổi điện.
Tổn thất trên đường dây DC gồm tổn thất điện trở đường dây và tổn thất vầng quang. Dù vậy tổn thất vầng quang trong nhiều trường hợp khá bé có thể bỏ qua. Không xét đến hiệu ứng bề mặt và mật độ dòng điện đưa ra để tính toán cũng cao hơn so với đường dây AC. Một giá trị kinh tế thông dụng cho dây nhôm là khoảng 0.75 đến 0.9 A/mm2, phụ thuộc vào chi phí tổn thất cho đường dây.
Không có tiêu chuẩn nhất định để đạt được giá trị tối ưu chính xác, bởi vì một sự giảm xuống trong chi phí lắp đặt sẽ bị kéo lại do tăng chi phí tổn thất trên đường dây. Như vậy tổn thất trạm biến đổi mới là giá trị quan trọng trong tính toán kinh tế.
3.3.3.2 Tổn thất trạm
Khi trạm HVDC vận hành tại những điều kiện định mức, chúng ta sẽ chịu một lượng tổn thất tổng cộng tiêu biểu là từ 0.6 đến 0.7% giá trị định mức của trạm. Đối với một trạm HVDC được bù hoàn toàn, với một hiệu suất cao có thể được, với một qui mô lớn, bị ảnh hưởng bởi thiết kế của thiết bị.
Như vậy sự thiết kế, là một chức năng của đánh giá tổn thất có ý nghĩa là thiết kế tốt thì tổn thất cũng sẽ giảm. Đối với một trạm HVDC hiện tại, tỉ lệ tổn thất 0.65 đến 1% cho mỗi trạm là giá trị tiêu biểu chấp nhận được[5].
Hình 3.12 Chi phí tổn thất (%) cho trạm theo mức độ tải
0 50 100 50 100 10 Tổn thất trạm % Phần tăm tải Máy biến áp bộ biến đổi van Công suất phụ tải Bộ lọc AC Cuộn kháng DC
Tổn thất không tải là kiểu tổn thất thứ hai của trạm biến đổi HVDC, được sinh ra khi bộ biến đổi đã có điện vào nhưng các van đang bị khóa, bộ lọc AC và các thiết bị bù cách ly và tất cả thiết bị phía DC đều không có điện. Hay là những thiết bị phụ được nối kết vào như yêu cầu để dự phòng tức thời cho tải. Tổng số tổn thất không tải này chiếm khoảng 10% trong tổng số tổn thất vận hành.
Đối với van thyristor thì độ sụt giảm điện áp thuận đặc trưng chủ yếu cho tổn thất của nó. Như vậy cùng với tổn thất máy biến áp, tổn thất van sẽ chiếm phần lớn trong tổng số tổng thất của trạm. Trên hình 3.12 là tổn thất xấp xỉ của các thành phần được cho như một hàm số quan hệ theo công suất tải qua nó.
3.3.3.3 Tính toán tổn thất công suất trạm
Các hệ số định giá được gán bằng $US cho mỗi kW tổn thất thông thường được thành lập để ước lượng cả chi phí không tải và có tải của một trạm biến áp HVDC. Hệ số định giá là chi phí vốn bỏ ra cho các tổn thất của thiết bị đang xét bao gồm cả phí tổn cho công suất cộng cho chi phí tổn cho năng lượng.
Phí tổn cho công suất đặt biểu thị cho một lượng vốn bỏ ra để thêm vào hệ thống một lượng công suất bù lại cho lượng công suất bị tổn thất.
Các phí tổn năng lượng là giá trị hiện tại của năng lượng được điều chỉnh và giải thích cho sự khác biệt về tải mong muốn và các điều kiện vận hành đối với trạm và các chế độ vận hành mà tại đó lượng tổn thất công suất được xác định một cách thực tế.
Hệ số định giá ($/kW) = Phí tổn công suất ($/kW) + Phí tổn năng lượng ($/kW)
Phí tổn năng lượng = Phí tổn nhiên liệu ($/kWh) × số giờ tương đương × suất phí tổn cố định
Phí tổn nhiên liệu tiêu biểu cho các chi phí nhiên liệu trung bình của hệ thống theo $US mỗi một kWh như nhau trong suất thời kỳ tính toán của sử dụng trạm HVDC.
Suất phí tổn cố định cùng với phí tổn công suất đặt và phí tổn nhiên liệu sẽ phụ thuộc vào các điều kiện, các yêu cầu và sự thừa nhận được đưa ra của nhà phân
phối quốc tế. Chúng sẽ thay đổi một cách khác biệt hẳn giữa những nhà phân phối khác nhau.
Số giờ tương đương trong một năm cũng được xác định theo đường cong đặc tính tải hằng năm, các điều kiện vận hành phù hợp với đường cong này.
Bởi vì hệ số công suất ($US/kW) được đặc trưng bởi mỗi nhà phân phối đối với hệ thống của họ trong suốt quá trình tính toán thiết kế máy biến áp, các cân nhắc về kinh tế để dẫn đến sự ra quyết định nên đầu tư nhiều tiền hơn vào cho thiết kế tối ưu về tổn thất hay tối ưu về chi phí đầu tư.
Các cách ước lượng tổn thất biến đổi khác nhau ở từng quốc gia. Bảng 3.4 sau đây sẽ liệt kê những giá trị tiêu biểu lấy ra trong khoảng 8 năm gần đây nhất và có thể được dùng để tham khảo.
Bảng 3.4 Ước lượng tổn thất công suất khác nhau của từng quốc gia