6. Kết cấu của đề tài
1.3 Cấu hình hệ thống HVDC
Các kết nối DC được phân thành ba loại chính: - Kết nối đơn cực.
- Kết nối lưỡng cực. - Kết nối đồng cực.
1.3.1 Kết nối đơn cực
Hình 1.1 Kết nối đơn cực
Cấu hình cơ bản của kết nối đơn cực được mô tả trong hình 1.1. Hệ thống dùng một dây dẫn, có có cực tính âm. Đường dây trở về thường là dùng đất hay
nước. Các khảo sát cân nhắc về chi phí thường đi đến việc dùng hệ thống này truyền tải bằng cáp ngầm. Đây là cấu hình tiên phong cho việc phát triển lên cấu hình lưỡng cực.
Thay vì sử dụng đường dây trở về qua đất, trong trường hợp điện trở đất quá lớn hoặc có thể ảnh hưởng nhiễu loạn thông tin, tín hiệu đến các công trình ngầm / dưới nước người ta có thể sử dụng đường dây kim loại làm đường dây trở về trong trường hợp điện áp thấp.
1.3.2 Kết nối lưỡng cực
Kết nối lưỡng cực được trình bày trong hình 1.2. Kết nối này có hai dây, một dây dương và một dây âm. Mỗi đầu điều có một bộ biến đổi điện áp có điện áp định mức bằng nhau, mắc nối tiếp về phía một chiều. Điểm nối giữa hai bộ biến đổi được nối đất. Lúc bình thường, dòng điện trên hai cực bằng nhau, dòng qua đất bằng không. Hai cực có thể vận hành độc lập nhau. Nếu một trong hai cực bị cô lập do sự cố trên đường dây dẫn, cực kia vẫn có thể hoạt động với đất là đường dây trở về và mang nửa tải. Nhược điểm là chi phí xây dựng đường dây và trạm chuyển đổi cao hơn cấu hình đơn cực.
Hình 1.2 Kết nối lưỡng cực
Theo quan điểm chống sét, đường dây lưỡng cực được xem như hiệu quả tương đương với đường dây xoay chiều hai mạch. Trong hoạt động thường ít có ảnh
hưởng nhiễu hoạ tần đến các công trình lân cận. Việc đảo chiều công suất được thực hiện bằng cách thay đổi cực tính hai cực thông qua bộ điều khiển.
Trong trường hợp dòng tản qua đất không được thuận lợi hoặc khi không thực hiện tốt được việc nối đất do điện trở đất quá cao hoặc ảnh hưởng đến các công trình ngầm lúc này có thể dùng đường dây dẫn thứ ba làm đường dây trở về cho dòng điện khi có một cực ngừng hoạt động hoặc khi có sự không cân bằng lúc vận hành hai cực. Dây dẫn thứ ba yêu cầu mức cách điện thấp và còn được dùng làm dây bảo vệ chống sét đối với đường dây trên không.
Từ 2 kết nối đơn cực và lưỡng cực, có các kiểu kết nối hệ thống truyền tải điện một chiều sau:
- Trạm Back-to-Back: Sử dụng khi 2 hệ thống xoay chiều được đấu nối với nhau ở cùng một địa điểm, không cần đường dây truyền tải giữa các cầu chỉnh lưu – nghịch lưu, có thể dùng cấu hình đơn cực hoặc lưỡng cực. Trạm Back-to-Back thường ứng dụng khi đấu nối 2 hệ thống điện khác tần số cơ bản, hoặc các hệ thống không đồng bộ. Vì các bộ biến đổi nằm tập trung nên thuận lợi cho việc điều khiển và bảo dưỡng thiết bị.
- Kiểu kết nối giữa 2 trạm: Được sử dụng khi phương án xây dựng đường dây truyền tải cao áp một chiều tỏ ra kinh tế nhất khi đấu nối 2 trạm chuyển đổi ở 2 vị trí cách xa nhau, đây là kiểu truyền tải 1 chiều phổ biến nhất hiện nay. Mỗi mạch đường dây một chiều ± 500kV (2 cực) có khả năng tải khoảng 3000MW, thông thường sử dụng đường dây trên không, tải lượng công suất lớn đi khoảng cách rất xa.
- Kiểu truyền tải giữa nhiều trạm: Khi có từ 3 trạm chuyển đổi trở lên ở các vị trí địa lý khác nhau đấu vào cùng một hệ thống một chiều, có thể đấu nối tiếp hoặc song song. Khi tất cả các trạm có cùng điện áp kết nối thì gọi là kiểu kết nối song song, sử dụng khi công suất trạm lớn hơn 10% tổng công suất trạm chỉnh lưu. Nếu một hoặc nhiều bộ chuyển đổi được kết nối nối tiếp vào một hay cả hai cực thì ta có kiểu kết nối nối tiếp, ứng dụng khi công suất trạm nhỏ hơn 10% tổng công suất trạm
chỉnh lưu. Chi phí dành cho các trạm thêm vào là rất lớn, do đó kiểu truyền tải nhiều trạm rất khó đạt được các chỉ tiêu kinh tế.
- Kiểu nối bộ tổ máy: Hệ thống truyền tải điện một chiều được đấu nối vào ngay đầu ra của máy phát điện, thích hợp với các máy phát thủy điện và tuabin gió vì có thể đạt hiệu suất cao nhất. Điện năng xoay chiều nhận được phía nghịch lưu sẽ có tần số cơ bản 50 Hz (hoặc 60 Hz) không phụ thuộc vào tốc độ tuabin.
- Kiểu chỉnh lưu Diode: Ứng dụng khi công suất điện một chiều chỉ truyền tải theo một hướng duy nhất, hệ thống van chỉnh lưu chỉ cần dùng Diode thay vì Thyristor, công suất truyền tải sẽ được điều khiển ở phía nghịch lưu, đặc biệt có lợi đối với kiểu kết nối bộ tổ máy phát vì có thể điều khiển dòng công suất dựa vào điều khiển điện áp xoay chiều thông qua hệ thống kích từ máy phát. Kiểu đấu nối này cần sử dụng loại máy cắt xoay chiều tốc độ cao giữa máy phát và bộ chỉnh lưu để bảo vệ quá dòng cho Diode khi có ngắn mạch trên đường dây một chiều.
Hình 1.3 Các kiểu kết nối truyền tải một chiều
Đa cực song song Back-to-Back Hệ thống 2 cực Kiểu nối bộ Tuabin gió và thủy điện cấp cho bộ chỉnh lưu Đa cực nối tiếp
1.3.3 Kết nối đồng cực
Kết nối đồng cực có cấu hình như hình 1.4 gồm hai hay nhiều dây có cùng cực tính. Thường chọn cực tính âm vì ít có nhiễu thông tin do vầng quang gây ra hơn. Đường trở về thông qua đất. Khi có sự cố trên một dây, bộ biến đổi sẵn sàng để cung cấp cho các đường dây còn lại với chừng mực quá tải nào đó. Về mặt này cấu hình đồng cực có vẻ thuận lợi hơn khi đường trở về qua đất được chấp nhận.
Trong trường hợp dòng trở về là nối đất thì có ảnh hưởng đối với các công trình là đường ống kim loại dẫn dầu hoặc khí cách đó vài dặm. Khi đó các đường ống này trở thành đường dây dẫn dòng trở về. Do đó, trong cấu hình này dùng đường dây trở về là đất thường không được sử dụng.
Hình 1.4 Kết nối đồng cực
Trong hệ thống HVDC “lưng kề lưng” (B2B) dùng cho các liên kết không đồng bộ, được thiết kế vận hành hành đồng cực hay lưỡng cực với số nhóm khác nhau của các van cho mỗi cực phù thuộc vào mục đích liên kết và độ tin cậy mong muốn.
Hầu hết các kết nối HVDC là kết nối “điểm – điểm” (PtP) bao gồm đường dây lưỡng cực và chỉ vận hành trong trường hợp khẩn cấp. Chúng được thiết kế để có sự độc lập giữa các cực nhằm tránh mất điện cả đường dây lưỡng cực.
1.4 Các phần tử chính trong hệ thống HVDC
Các thành phần chính trong một hệ thống HVDC được mô tả trong hình 1.5, ở đây được ví dụ bởi một mô hình lưỡng cực. Sau đây là mô tả tóm lược các phần tử hệ thống.
1.4.1 Bộ biến đổi
Là một trong những thành phần quan trọng nhất của hệ thống HVDC. Biến đổi AC/DC (chỉnh lưu) và DC/AC (nghịch lưu), gồm các cầu van và máy biến áp có đầu phân áp. Cầu van gồm các van cao áp mắc theo sơ đồ 6 xung hoặc 12 xung. Các máy biến áp biến đổi cung cấp nguồn điện ba pha với điện áp thích hợp cho các cầu van. Với cuộn dây máy biến áp phía van không nối đất, hệ thống điện một chiều có thể được nối đất riêng của chính nó, thường được nối đất bởi đầu âm hay đầu dương cuối bộ cầu van.
1.4.1.1 Van Thyristor
Thành phần không thể thiếu của bộ chuyển đổi công suất một chiều là van. Van được cấu tạo từ 1 hoặc nhiều Diode công suất mắc nối tiếp gọi là van không điều khiển được, nếu cấu tạo từ chuỗi Thyristor gọi là van điều khiển được.
Hình 1.6 Ký hiệu các van và cầu chỉnh lưu
Thyristor là một khóa đóng cắt bán dẫn bao gồm 4 lớp PNPN ghép nối tiếp lại, là thiết bị chỉnh lưu có điều khiển bằng vật liệu silicon, viết tắt là SCR. Cấu tạo bên ngoài của Thyristor là một khóa gồm 3 đầu cực: Anode, Cathode và Gate. Dòng điện đi qua Thyristor theo một chiều từ Anode sang Cathode và thời điểm bắt đầu dẫn dòng tùy thuộc vào điều khiển cực Gate.
Hình 1.7 Cấu tạo, ký hiệu và sơ đồ Thyristor Valve không điều khiển
được (cấu tạo từ Diode)
Cầu chỉnh lưu không điều khiển được
Valve điều khiển được (cấu tạo từ Thyristor)
Cầu chỉnh lưu điều khiển được
Một van Thyristor được tạo ra từ một số lượng Thyristor mắc nối tiếp để có điện áp định mức mong muốn và mắc song song để có dòng điện định mức mong muốn. Đối với những thế hệ Thyristor hiện đại có khả năng chịu dòng điện cao là không cần thiết. Số lượng các Thyristor nối tiếp trong van được xác định theo điện áp định mức, nguyên lý bảo vệ và sự quá áp quá độ.
Thông thường các số lượng Thyristor trong một van thường được lắp dư một ít để đề phòng, lượng Thyristor được lắp dư để dự phòng vào khoảng từ 3 – 7% tổng số lượng Thyristor cần thiết. Các van thông thường được cách điện bằng khí và làm mát có thể bằng khí, nước, dầu hay freon. Trong các trạm biến đổi ngày nay người ta hay làm mát bằng nước để giảm tổn thất công suất.
Hình 1.8 Các kiểu sắp xếp van
Tùy theo cấu trúc lựa chọn của mạch biến đổi mà nhà sản xuất có thể chế tạo những module phù hợp, ví dụ như module 2 van, 3 van hay 4 van. Đối với mạch biến đổi 12 xung được dùng phổ biến hiện nay người ta hay dùng 3 bộ module 4 van ghép lại. Thông thường nhà sản xuất chế tạo các module 4 van theo các cấp 50, 125, 250 kV với một dãy dòng định mức: 800A, 1000A,….2000A, 3000A…, 4000A[4]. Ngoài ra để tăng cường độ an toàn và tin cậy cho các van Thyristor, hiện nay người ta đã phát triển công nghệ dùng bộ chống sét, tụ điện, cuộn kháng hạn dòng…, ghép vào module Thyristor để cải thiện các đặc tính làm việc như là chịu quá dòng, quá áp của van[8]. Bên cạnh đó sự phát triển của kỹ thuật điều khiển vi điện tử để điều khiển sự hoạt động trực tiếp một cách tự động của các van nhằm thay thế kịp thời những hỏng hóc và bảo vệ an toàn cho chúng. Chính những cải tiến liên tục và có hiệu quả về công nghệ đã giúp cho các trạm HVDC làm việc rất tin cậy và an toàn.
1.4.1.2 Máy biến áp của bộ chuyển đổi
Hiện nay đa số tất cả các trạm biến đổi HVDC đều dùng bộ biến đổi cầu 12 xung. Mức điện áp phía bộ chuyển đổi của máy biến áp dùng cho trạm back-to-back dựa vào khả năng truyền tải và dòng điện định mức của Thyristor. Đối với đường dây dài, điện áp của van được xác định một cách tổng quát bằng mật độ dòng điện kinh tế nhất quan hệ theo chi phí cách điện.
Một số kiểu máy biến áp cho bộ biến đổi:
- Ba pha, ba cuộn dây. Dùng một máy biến áp cho mỗi phía của hệ thống. - Ba pha, hai cuộn dây. Dùng hai máy biến áp cho mỗi phía của hệ thống. - Một pha, ba cuộn dây. Dùng ba máy biến áp cho mỗi phía của hệ thống. - Một pha, hai cuộn dây. Dùng sáu máy biến áp cho mỗi phía của hệ thống. Công suất định mức của máy biến áp cũng được chọn theo công suất định mức của bộ biến đổi. Do các Thyristor có khả năng chịu dòng quá tải không cao vì vậy công suất định mức của máy biến áp nên chọn sát với mức trần bình thường (mức công suất tải định mức bình thường) của bộ biến đổi.
Hình 1.10 Bộ biến đổi trong mạch cầu 12 xung
Công suất định mức có thể xác định một cách tối ưu cho mạch biến đổi 12 xung của bộ biến đổi với hệ số sử dụng cao nhất là[2]:
ST = 1,047×Vd0×Id Trong đó:
Vd0: Điện áp DC định mức cực đại khi chưa có góc kích trễ. Id: Dòng điện định mức qua biến đổi.
Đặc tính quan trọng nhất của máy biến áp bộ biến đổi là tổng trở ngắn mạch, nó ảnh hưởng đến thời gian đảo mạch và giới hạn dòng ngắn mạch trên đường dây DC.
Bộ đổi nấc máy biến áp được sử dụng chủ yếu để giảm nhu cầu tiêu thụ công suất phản kháng của bộ biến đổi và dãy tỉ số biến điện áp thay đổi tùy theo sơ đồ mạch biến đổi và đặc trưng của từng hệ thống. Nó thay đổi từ ±5% đến ±20%. Bộ đổi nấc máy biến áp được thiết kế với tiêu chuẩn cơ khí cao nhất, số lượng nấc biến áp nhiều hơn các bộ đổi nấc cho AC rất nhiều. Để nâng cao khả năng của nó hiện nay người ta đã dùng bộ đổi nấc máy biến áp đặt trong chân không.
Về giá cả thì các máy biến áp cho bộ biến đổi chiếm tỉ lệ nhiều nhất trong một trạm HVDC dạng Back-to-Back.
1.4.2 Cuộn kháng nắn dòng
Đây là các cuộn kháng có điện cảm lớn có điện cảm từ 0.5 đến 1.0H[6] mắc nối tiếp với mỗi cực của mỗi trạm biến đổi. Nó đáp ứng các mục đích sau:
- Giảm các hoạ tần điện áp và dòng điện trên đường dây một chiều. - Tránh sự cố chuyển mạch trong nghịch lưu.
- Tránh dòng điện trở nên không liên tục khi mang tải thấp, giới hạn đỉnh dòng điện trong chỉnh lưu khi xảy ra ngắn mạch trên đường dây 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. Không có một tiêu chuẩn rõ ràng cho việc lựa chọn cuộn kháng của đường dây. Khi điện kháng của cuộn dây tăng lên thì dòng DC sẽ càng phẳng, dạng sóng và lượng họa tần DC sẽ được cải thiện tuy nhiên nó lại làm cho đáp ứng điều khiển chậm lại cũng như tần số cộng hưởng bị giảm làm cho sự ổn định của điều khiển dòng điện trở nên khó khăn.
Đối với những van Thyristor hiện đại, yêu cầu điện kháng của cuộn dây thấp hơn nhiều do bản thân những van này đã có mạch hạn dòng. Những cuộn kháng thường dùng hiện nay là loại có cách điện và làm mát bằng không khí. Mạch từ của cuộn kháng DC gồm một khung sắt bao quanh cuộn dây và ruột (lõi) không khí.
1.4.3 Bộ lọc họa tần (sóng hài)
Bộ biến đổi sinh ra các họa tần điện áp và dòng điện ở cả hai phía xoay chiều và một chiều. Họa tần cũng là nguyên nhân gây ra phát nóng tụ điện và máy phát gần đó, làm nhiễu tín hiệu thông tin liên lạc. Mạch lọc do đó cũng dùng về cả hai phía xoay chiều và một chiều.
Tần số của họa tần đặc trưng bằng bội số của xung chuyển mạch cơ bản của một biến đổi tại mỗi tần s, số chu kỳ cơ bản theo công thức n = pk ± 1 (với k = 1, 2,3,..). Đối với các mạch biến đổi thường dùng hiện nay số lượng xung chuyển mạch là 12. Do vậy các họa tần đặc trưng là n = 12k ± 1 (có nghĩa là 11, 13, 23, 25,..). Các họa tần không đặc trưng có tất cả trong những phần khác của nguồn họa tần theo một số những hệ số riêng nào đó. Chúng được sinh ra như là kết quả của những điện dung rải trong mạch biến đổi, sự mất đối xứng giữa tổng trở trong các
cuộn dây khác nhau của máy biến áp và sự khác biệt giữa những giá trị khác nhau của góc kích trong một bộ biến đổi.
Để giảm dòng họa tần này người ta dùng bộ lọc dạng bị động ở cả 2 phía AC