1. Dùng mạng truyền ngược, giải thuật truyền ngược mô phỏng hoạt động của bộđiều khiển dòng tại đầu chỉnh lưu huấn luyện mạng bằng phương pháp tối ư u
5.2.2 Trạm biến đổi HVDC back-to-back
Trạm biến đổi trong trường hợp này gồm cả phần chỉnh lưu (Rectifier) và nghịch lưu (Inverter) chung được gọi là trạm biến đổi back-to-back. Dùng hệ thống back-to-back này thì tận dụng hết được khả năng sử dụng của các thyristor do công suất trao đổi qua lại hai phía của trạm có thểđạt đến giá trị tối đa với điện áp thấp mà
123
dòng lại cao. Như vậy với các thyristor hiện đại có khả năng chịu được dòng cao thì số
lượng các thyristor sử dụng trong mạch sẽ giảm tương ứng với mức điện áp thấp và chi phí cho trạm cũng sẽ giảm theo. Bên cạnh đó những thiết bị khác có giá thành phụ
thuộc điện áp cũng sẽ giảm làm chi phí chung cũng giảm xuống, ví dụ như: diện tích xây dựng trạm, máy biến áp, các thiết bị đóng cắt mạch, các thiết bị bảo vệ quá áp…vv.
Bộ biến đổi dùng thyristor
Mạch biến đổi được sử dụng là mạch cầu 12 nhịp với những van liên kết nhau
đã được chuẩn hóa bởi nhà sản xuất. Mỗi một bộ thyristor (Unit) gồm một số lượng các thyristor riêng lẻ nối tiếp để chịu đựng được một điện áp xác định được gọi là một van. Mỗi một bộ van này có đầy đủ các phần bảo vệ quá áp, bộ phân áp, bộđiều khiển cực gate. Bốn van của một pha (một cánh) của bộ biến đổi 12 nhịp được xếp dựng
đứng lên tạo thành một van 4 đoạn (Quadruple van). Như vậy ba van 4 đoạn sẽ tạo ra bộ biến đổi cầu 12 nhịp như mong muốn (như hình 5.2). Sự sắp xếp này được thiết kế
theo mức điện áp yêu cầu, có nghĩa là tùy theo điện áp yêu cầu mà nhà sản xuất lắp đặt số lượng các thyristor nối tiếp phù hợp, trong đó phải có một số các thyristor được lắp dư ra để dự phòng. Những van thyristor này sau khi lắp xong có trọng lượng thông thường là dưới 500kg/van. Với kích thước và trọng lượng bé như vậy thì khoảng không gian cần cho chúng giảm một cách đáng kể.
Thông thường nhà sản xuất chế tạo các van quadruple theo các cấp 50, 125, 250kV với một dãy dòng định mức: 800A, 1000A,…,2000,…,3000A,…,4000A. Việc lựa chọn dòng điện định mức của van phụ thuộc vào cấp điện áp DC và điều kiện tài chính (dòng định mức càng cao thì càng đắt), công suất truyền tải theo sự so sánh kinh tế.
Lựa chọn điện áp hoạt động DC.
Ở giai đoạn đầu của dự án do công suất tải chỉ khoảng là 1000MW nên có thể
xây dựng trạm HVDC với cấu trúc đơn cực, khi nhu cầu tải tăng lên thì có thể phát triển lên bằng cách thêm vào một cực nữa và trạm sẽ hoạt động như một sơđồ hai cực.
124
Điện áp của hệ thống HVDC được tính toán theo công suất truyền tải và dòng
định mức van thyristor như sau: Vd = P [MW] / Id [kA]
(Ởđây điện áp DC Vd là điện áp giữa một cực và đất)
Các thyristor công suất hiện đại sẽ có dòng định mức lên đến 4000A, do vậy tùy theo yêu cầu về công suất mà sẽ chọn được điện áp hoạt động phù hợp theo một dãy dòng định mức. Với công suất tải là 1000MW thì điện áp mạch DC có thểđược tính ra như bảng sau:
Bảng 5.4 Bảng chọn điện áp Thyristor theo dòng và công suất
STT Dòng định mức [A] Công suất [MW] Điện áp một chiều [kV]
1 1000 1000 1000 2 1200 1000 830 3 1500 1000 660 4 2000 1000 500 5 2500 1000 400 6 3000 1000 330 7 3500 1000 285 8 4000 1000 250
Việc lựa chọn van thyristor và cấp điện áp có những điều cần lưu ý sau:
125
Dòng định mức của van thyristor càng cao thì chi phí đầu tư cho trạm HVDC cao (do dùng công nghệ hiện đại hơn), chi phí vận hành (tổn thất) cũng tăng theo. Tuy nhiên khi đó điện áp hệ thống HVDC lại nhỏ và các chi phí cho đường dây, cách điện trạm, máy biến thế…cũng giảm theo.
- Ngược lại nếu dòng định mức của van thấp thì có nghĩa là điện áp sẽ cao và chi phí đầu tư cho trạm HVDC lại giảm xuống một ít nhưng chi phí cho cách điện và
đường dây truyền tải lại tăng.
Do trạm có mức công suất khá lớn và khả năng có thể phát triển thêm nên chọn cấp điện áp DC 600kV với dòng định mức 2000A là phù hợp. Khi công suất tải tăng lên đến 3000MW thì có thể sẽ lắp thêm một bộ biến đổi nối tiếp với bộ biến đổi hiện hành và tạo một mạch hoạt động với cấu trúc đôi cực như sơđồ hình 5.3. Trong trường hợp mạch hoạt động với cấu trúc đôi cực thì khi bị sự cố một cực thì cực còn lại vẫn làm việc độc lập như bình thường.
Điều này phù hợp vói thực tếđể tăng cường độ tin cậy cho việc truyền tải công suất, nhất là trong trường hợp công suất lớn, cũng như khả năng phát triển từng phần theo từng thời kỳ.
Hình 5.3 Mạch biến đổi back-to-back gồm hai mạch cầu 12 nhịp nối tiếp (Giai đoạn 2 nét đặc trưng cho các thiết bịđược phát triển ở giai đoạn sau)
126
Bộ lọc họa tần bậc cao
Các bộ lọc họa tần được nối song song với trạm HVDC back-to-back để làm hai nhiệm vụ:
- Hấp thụ những họa tần dòng sinh ra bởi bộ biến đổi.
- Cung cấp công suất phản kháng cho mạch biến đổi hoạt động.
Mục đích của bộ lọc họa tần bậc cao là tạo một đường dẫn tổng trở thấp đểđưa các dòng họa tần xuống đất, làm giảm sự méo dạng của điện áp AC. Trên thực tế
người ta chỉ chọn một mức độ họa tần có thể chấp nhận được chứ không thể triệt tiêu hoàn toàn do điều kiện kinh tế.
Do chế độ vận hành của trạm chuyển đổi tiêu thụ nhiều công suất phản kháng nên phải thực hiện bù công suất phản kháng cho trạm. Tổng nhu cầu về công suất phản kháng là khoảng 70% công suất tác dụng khi đầy tải. Nhu cầu này sẽ được cung cấp một phần nhờ vào các tụđiện của bộ lọc họa tần, một phần vào tụ bù tĩnh hay đặt máy bù đồng bộ. Tỉ lệ bù thích hợp sẽ được quyết định dựa theo các chế độ vận hành của bộ biến đổi.
Vậy với mức công suất tác dụng tải qua trạm là 1000MW thì tổng nhu cầu về
công suất phản kháng được tính như sau: Q = 0,6 x P = 0,6 x 1000 = 600 MVAr
Mục đích của bộ lọc là làm tối thiểu giá trịđiện áp họa tần với các ràng buộc là hàm tối ưu dung lượng bộ lọc theo chi phí. Như vậy dung lượng bộ lọc tối ưu được quyết định bằng chi phi tổng cho bộ nguồn công suất phản kháng.
Trên thực tế người ta tính toán các dung lượng của bộ lọc theo công suất truyền tải của trạm. Các bộ lọc được chọn là loại hoạt động theo nguyên tắc tự điều chỉnh, bao gồm một servo điều khiển theo mức công suất phản kháng và điều chỉnh một cách tựđộng gần cộng hưởng cho bộ lọc chính.
Thông thường để tiện lợi trong việc điều khiển đóng cắt mạch theo nhu cầu công suất phản kháng của trạm người ta thường chia tổng dung lượng thành nhiều phần có kích thước phù hợp. Các họa tần 11, 13 có dung lượng lớn nhất trong số các
127
họa tần của mạch biến đổi cầu 12 nhịp nên sẽ đặt các bộ lọc cho chúng. Ngoài ra cũng
đặt thêm bộ lọc thông cao để triệt tiêu các họa tần bậc cao hơn.
Hình 5.4 : Bộ lọc thông cao
Bộ lọc “chỉnh hai tần số” cho họa tần 11, 13
Để lọc các họa tần bậc 11 và 13 thì có thể sử dụng các bộ lọc kiểu “ chỉnh một tần số” cho riêng mỗi họa tần hay là dùng kiểu “chỉnh hai tần số” chung cho cả hai họa tần. Tuy nhiên nếu dùng bộ lọc kiểu “chỉnh hai tần số” thì tổn hao công suất sẽ nhỏ
hơn dùng hai bộ lọc kiểu “chỉnh một tần số” với cùng công suất định mức hình 5.6. Như vậy đối với trạm HVDC back-to-back Trung–Việt chúng tôi đề xuất như
sau:
- Phía Trung Quốc
Lọc họa tần bậc 11, 13 : 2 x 150 MVAr
Lọc thông cao : 1 x150 MVAr
Tụ bù tĩnh : 1 x 150 MVAr
- Phía Việt Nam
Lọc họa tần bậc 11, 13: 2 x 150 MVAr
Lọc thông cao : 1 x 150 MVAr
Tụ bù tĩnh : 1 x 150 MVAr
Việc đặt thêm tụ bù tĩnh nhằm giữổn định điện áp cho hệ thống vì đường dây truyền tải sẽ còn đi xa.
Chọn máy biến áp cho bộ biến đổi
Máy biến áp cho bộ biến đổi là loại được thiết kếđặc biệt với các đặc tính sau: - Chịu phát nóng do ảnh hưởng bởi họa tần bậc cao.
128
- Có thiết kếđặc biệt chống rung và tiếng ồn.
- Bộ đổi nấc dưới tải có khoảng tầm rộng đến ±20%. Số nấc điều chỉnh phải nhiều hơn các máy biến áp thông thường dùng cho hệ thống AC.
Công suất biến áp tổng của toàn trạm theo công thức (3-8) như sau: ST = 1,04 x Vd0 x Id
= 1,04 x 540 x 2 = 1200 [MVA]
Các thiết bịđóng cắt vả hệ thống bảo vệ trạm
Tùy theo cấu trúc của mạch DC và hệ thống AC mà số lượng máy cắt, dao cách ly có thể thay đổi. Trường hợp mạch DC dùng cấu trúc đơn cực thì số lượng dao cách ly dùng cho mạch DC ít. Khi hoạt động ở chếđộ đôi cực thì số lượng dao cách ly phía DC cần nhiều hơn bởi vì khi đó mạch có thể chuyển đổi qua lại giữa các van trong hai cực (tăng cường độ tin cậy). Đặc biệt là khi muốn mạch có khả năng hoạt động ở chế độđơn cực song song.
Nguyên lý bảo vệ cho trạm HVDC back-to-back cũng như các trạm cao cấp khác, những sự cố như quá dòng, quá điện áp… vv có thể phá hỏng thiết bị cần phải
được nhận dạng và cách ly một cách nhanh chóng. Nếu như muốn tăng cường độ tin cậy của hệ thống bảo vệ relay hơn nữa thì có thể dùng dạng bảo vệ mạch đôi chồng nhau.
Hệ thống bảo vệ sẽ hoạt động theo từng vùng và có dự phòng cho nhau. Các relay bảo vệ là loại relay số. Vùng bảo vệ trạm back-to-back có thể phân chia như sau: Bảo vệ bộ biến đổi điện, bảo vệ máy biến áp, bảo vệ mạch lọc và tụ bù.
Bảo vệ cho bộ biến đổi bao gồm các thiết bị chống lại sự cố bên trong hoặc bên ngoài. Hệ thống bảo vệ chống các sự cố bên trong bao gồm: bảo vệ so lệch cầu, bảo vệ
so lệch nhóm, bảo vệ chống trạm đất, bảo vệ quá dòng có thời gian. Bảo vệ cho các sự
cố ngoài sẽ gồm các thiết bị sau: chống sét loại Metal oxide đặt trên các van chống quá áp, các thiết bị diode nối tắt mạch (BOD). Ngoài ra hệ thống bảo vệ còn liên hệ chặt chẽ với hệ thống điều khiển để có những điều khiển hợp lý nhằm giảm nhẹ các sự cố, ví dụ nhưđiều khiển giảm dòng khi có ngắn mạch trên đường dây DC.
129
KẾT LUẬN VÀ NHỮNG ĐIỂM MỚI LUẬN ÁN
Thông thường các nhà máy điện bao giờ cũng được xây dựng ở những nơi có
điều kiện về nguồn cung cấp năng lượng sơ cấp, ví dụ: khu vực đầu nguồn của sông, vùng gần mỏ than, gần khu chế biến dầu, khí đốt…vv, trong khi đó các phụ tải chủ yếu tập trung ở những khu công nghiệp hay đô thị lớn cách xa đó hàng trăm thậm chí hàng ngàn cây số. Chính vì khoảng cách truyền tải xa như vậy nên người ta phải nghiên cứu các biện pháp để tải điện một cách hiệu quả và kinh tế nhất.
Cùng với sự phát triển của hệ thống điện thì nhu cầu nối kết các hệ thống lại với nhau càng trở nên cần thiết. Sự liên kết những hệ thống lại với nhau được thực hiện bằng đường dây liên lạc. Việc nối kết các hệ thống có những ưu điểm sau:
- Giảm được dự trữ công suất của mỗi hệ thống.
- Cải thiện và nâng cao khả năng vận hành kinh tế toàn hệ thống do có sự phối hợp giữa những nhà máy thủy điện và nhiệt điện.
- Đặc biệt khi các hệ thống thành phần có những điều kiện về thời tiết, khí hậu và nguồn phát khác nhau thì việc sử dụng hệ thống hợp nhất sẽ có lợi ích kinh tế cực kỳ
to lớn. Do nó có khả năng toàn dụng được tất cả những nguồn phát có tính kinh tế nhất theo mùa, theo từng vùng.
- Làm bằng phẳng đồ thị phụ tải toàn hệ thống.
- Có thể hỗ trợ nhau khi có sự cố hay cần bảo dưỡng thiết bị.
- Nhất là điện năng đang trở thành hàng hóa được trao đổi rộng rãi, được cung cấp theo kiểu cơ chế thị trường “phi điều tiết” thì việc kết nối hệ thống điện của các quốc gia, các khu vực khác nhau trở nên rất có lợi.
Tuy nhiên việc xây dựng đường dây liên lạc cũng gặp không ít khó khăn và nhất là về mặt điều khiển. Một đường dây liên lạc vận hành tốt là đường dây có thể điều khiển công suất qua lại giữa hai hệ thống một cách nhanh chóng. Điều này thì dùng truyền tải HVDC là tốt hơn bởi đường dây DC có khả năng điều chỉnh công suất truyền tải nhanh chóng mà không cần tác động đến các nguồn sơ cấp. Ngoài ra những
đường dây truyền tải HVDC công suất lớn sẽ góp phần nâng cao ổn định hệ thống lên. Nó khắc phục được nhược điểm của những đường dây liên lạc bằng truyền tải AC đó
130
là vừa có thể tải công suất theo một hướng với hiệu suất cao vừa có khả năng điều chỉnh nhanh chóng để trao đổi công suất hai chiều.
Hiện nay công nghệ truyền tải điện DC đã được nghiên cứu khá rộng rãi trên khắp thế giới và đã có nhiều công trình thực tế áp dụng truyền tải HVDC đem lại lợi ích to lớn. Những nghiên cứu này rất quan trọng và có ý nghĩa to lớn cho việc áp dụng HVDC vào thực tiễn, với các mục đích sau:
- Thứ nhất là xây dựng những tiêu chuẩn về kinh tế - kỹ thuật của truyền tải DC so sánh với truyền tải AC.
- Thứ hai là xem xét những ảnh hưởng tốt và cả những ảnh hưởng xấu của
đường dây HVDC lên toàn bộ hệ thống điện chung để từ đó có biện pháp xử lý một cách có hiệu quả nhất và cuối cùng là nhằm cải tiến công nghệ HVDC để giảm giá thành, nâng cao độ tin cậy và tăng công suất truyền tải.
Theo xu hướng mới những dự án truyền tải HVDC có công suất càng lớn cảng có lợi. Như vậy những đường dây truyền tải có lượng công suất cực lớn và quan trọng cho hệ thống thì dù khoảng cách nhỏ cũng có thể dùng HVDC. Đường dây truyền tài càng xa dùng HVDC càng có lợi. Sự phát triển đường dây HVDC nhiều trạm dừng cũng đem lại một hứa hẹn mới cho việc áp dụng HVDC một cách rộng rãi.
Như vậy truyền tải điện HVDC cũng là một bộ phận quan trọng của mạng điện truyền tải và việc hiểu biết đầy đủ các khía cạnh kinh tế-kỹ thuật của nó, nhất là cái nhìn khoa học về công nghệ truyền tải HVDC rất cần thiết. Hiện nay trong hầu hết các dự án qui hoạch và phát triển hệ thống điện Việt Nam chưa có sự xem xét và đánh giá phương án áp dụng HVDC như là một phương án độc lập trong tập dự án. Tuy nhiên trong tương lai nguồn điện của Việt Nam sẽđược phát triển và phân bố lại hợp lý hơn, khi đó hệ thống truyền tải cũng phải được qui hoạch lại sao cho đảm bảo tối ưu trên toàn hệ thống, lúc này dù muốn hay không chúng ta vẫn phải xem xét đến các phương án áp dụng đường dây truyền tải DC trong hệ thống điện Việt Nam một cách khoa học với mục đích mang lại hiệu quả cao về kinh tế-kỹ thuật.
Như vậy có thể nhận định một cách tổng quan rằng truyền tải điện HVDC thực sự là một công nghệ hiện đại đáp ứng được các yêu cầu của hệ thống điện trong tương
131
lai. Việc xây dựng các phương án áp dụng HVDC vào hệ thống điện phải dựa trên