Hình 1- 12: Hệ thống truyền tải HVDC liên kết đơn cực
Trong cấu hình này có một dây dẫn cực tính dương hoặc âm (thông thường là âm). Đất hoặc nước biển được sử dụng làm đường trở về. Do gây ra một số hiện tượng xấu chẳng hạn như ăn mòn hóa điện cực nối đất, vì vậy trong một số trường hợp phía nối đất của trạm chỉnh lưu và nghịch lưu có thể được liên kết với nhau bằng một dây kim loại. Khi dùng cáp có vỏ bọc bằng kim loại thì vỏ bọc sẽ được sử dụng làm đường về.
Hệ thống đơn cực hiện đại áp dụng cho đường dây trên không có thể truyền tải công suất lên đến 1500 MW. Nếu sử dụng cáp ngầm dưới đất hoặc biển thì điển hình có thể mang tải tới 600 MW.
17
Ưu điểm: sơ đồ tương đối đơn giản, giảm chi phí đường dây, có thể mở rộng thành sơ đồ hai cực để tăng công suất truyền tải.
Nhược điểm: độ tin cậy & linh hoạt không cao, công suất truyền tải không lớn.
1.4.2/ Hệ thống truyền tải HVDC lƣỡng cực (Bipolar link)
Hình 1- 13: Hệ thống truyền tải HVDC lưỡng cực
Trong cấu hình này một cặp đường dây có điện thế ngược dấu được sử dụng, vì vậy các đường dây này phải được cách điện đầy đủ. Chi phí cho hệ thống truyền tải điện một chiều lưỡng cực cao hơn cấu hình liên kết đơn cực với một đường dây trở về. Đường dây truyền tải điện một chiều lưỡng cực có hiệu quả tương đương đường dây truyền tải điện xoay chiều mạch kép. Khi mang tải bình thường, dòng điện chạy vào đất rất nhỏ giống như trường hợp đơn cực có dây dẫn trở về, do đó giảm thiểu được tổn thất do dòng điện tiếp đất và giảm ảnh hưởng tới môi trường. Khi có sự cố trên một đường dây, với các điện cực nối đất được sử dụng làm đường về thì đường dây sẽ tiếp tục vận hành trong trạng thái đơn cực. Với công suất truyền tải so với đường dây đơn cực, thì đường dây lưỡng cực chỉ phải mang một dòng điện có giá trị phân nửa so với đường dây đơn cực. Khi đi qua các địa hình bất lợi thì hai đường dây có thể đi trên các hàng cột khác nhau, phòng khi có một đường dây bị sự cố thì đường dây còn lại vẫn truyền tải một phần công suất. Khi điện trở đất cao có thể lắp đặt thêm đường dây trở về, đường dây này không đòi hỏi mức cách điện cao và có thể sử dụng làm dây chống sét cho đường dây trên không, nếu được cách điện
18
đầy đủ thì có thể sử dụng làm dự phòng. Trên thực tế cấu hình này được sử dụng khá phổ biến.
Ưu điểm: độ tin cậy và tính linh hoạt cao, khả năng truyền tải công suất lớn gấp đôi sơ đồ đơn cực, ít gây nhiễu hơn sơ đồ đơn cực, dễ dàng thay đổi chiều công suất truyền tải.
Nhược điểm: Chi phí cao hơn sơ đồ đơn cực.
1.4.3/ Hệ thống truyền tải HVDC cùng cực tính (Homopolar link)
Hình 1- 14: Hệ thống truyền tải HVDC cùng cực tính
Sơ đồ này được sử dụng hai hay nhiều đường dây cùng cực tính dương hoặc âm. Thường là âm để giảm bớt nhiễu và tổn thất vầng quang. Đường trở về qua điểm giữa được nối đất. Khi một dây dẫn bị sự cố, hệ thống sẽ vận hành như cấu hình liên kết đơn cực tiếp tục truyền tải một phần công suất. Cấu hình này được sử dụng phổ biến để truyền tải điện năng trên đường dây trên không. Trong trường hợp này hệ thống HVDC lưỡng cực gồm hai hệ thống HVDC đơn cực.
19
- Độ tin cậy và tính linh hoạt cao. Hệ thống vẫn có khả năng truyền tải điện năng trong trường hợp một cực kia gặp sự cố vì bất kỳ lý do gì. Mỗi hệ thống có thể vận hành trên hệ thống độc lập của nó và đất như là một đường dẫn trở về.
- Khả năng truyền tải công suất lớn gấp đôi sơ đồ đơn cực. Nhược điểm:
- Chi phí cao hơn sơ đồ đơn cực.
- Gây ăn mòn điện hóa các đường ống ngầm xung quanh điện cực nối đất.
1.4.4/ Hệ thống truyền tải HVDC đối lƣng (Back to Back)
Hình 1- 15: Hệ thống truyền tải HVDC đối lưng
Cả hai bộ biến đổi chỉnh lưu và nghịch lưu được đặt ở cùng một chỗ, thông thường trong cùng một tòa nhà và chiều dài của đường dây tải điện một chiều chỉ là một vài mét. Các trạm back to back thông thường được sử dụng để:
- Kết nối hai hệ thống có tần số khác nhau
- Kết nối hai mạng điện có cùng tần số nhưng không có sự liên hệ pha cố định
- Kết nối các hệ thống có tần số và số pha khác nhau
Do chiều dài đường dây tải điện ngắn nên cấp điện áp một chiều là khá thấp khoảng từ 50 ÷ 150 kV để giảm giá thành. Hơn nữa vì hai hệ thống biến đổi được đặt cùng một nơi vì thế rất thuận tiện cho việc vận hành, điều khiển, bảo dưỡng. Cấu hình này thích hợp khi liên kết hai hệ thống có tần số khác nhau.
20
Hình 1- 16: Hệ thống truyền tải HVDC nhiều điểm đấu
Cấu hình này có nhiều hơn hai bộ biến đổi. Trong trường hợp này bộ biến đổi 1 và 3 có thể coi vận hành như là một bộ chỉnh lưu. Trong khi đó bộ biến đổi 2 vận hành như một bộ nghich lưu. Hoặc ngược lại bộ biến đổi 2 vận hành như một bộ chỉnh lưu còn bộ biến đổi 1 và 3 vận hành như một bộ nghich lưu. Nếu tất cả các trạm nối cùng cấp điện áp thì gọi là hệ thống HVDC nhiều điểm đấu song song. Nếu có một hay nhiều trạm biến đổi đấu nối tiếp vào một cực hoặc cả hai cực gọi là hệ thống HVDC nhiều điểm nối tiếp. Hệ thống HVDC nhiều điểm đấu được sử dụng để rút công suất dọc đường hoặc mở rộng hệ thống điện một chiều sẵn có.
Ưu điểm: làm tăng tính linh hoạt của hệ thống một chiều
Nhược điểm: hiệu quả kinh tế không cao vì phải xây dựng thêm các trạm biến đổi làm phức tạp sơ đồ nối dây.
1.4.6/ Một số sơ đồ khác
Ngoài các dạng sơ đồ phổ biến nêu trên, còn có sơ đồ nối trực tiếp máy phát với bộ chỉnh lưu thông qua máy biến áp, sơ đồ này hay được sử dụng cho các máy phát thủy điện và tua bin gió. Tần số của điện áp xoay chiều không phụ thuộc vào tốc độ của tuabin. Nếu hệ thống chỉ truyền tải công suất theo một sơ đồ cố định thì phía chỉnh lưu có thể thay thế Thyristor bằng Diode để giảm giá thành. Khi đó phía xoay
21
chiều yêu cầu mạch cắt tốc độ cao để bảo vệ quá dòng cho Diode khi ngắn mạch trên đường một chiều. Trên cơ sở các sơ đồ cơ bản nêu trên, tùy theo các điều kiện và các yêu cầu thực tế mà có thể phát triển thành nhiều dạng sơ đồ khác nhau.
Hình 1- 17: Cấu trúc hệ thống HVDC sử dụng năng lượng gió
1.5/ MỘT SỐ HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN HVDC TRÊN THẾ GIỚI 1.5.1/ Itaipu, hệ thống truyền tải HVDC lớn nhất trên thế giới 1.5.1/ Itaipu, hệ thống truyền tải HVDC lớn nhất trên thế giới
Cho đến nay hệ thống truyền tải điện HVDC Itaipu của Brazil là hệ thống ấn tượng nhất thế giới. Công suất truyền tải lên tới 12,6 GW và điện áp DC lên tới ± 600 kV. Hệ thống gồm hai đường dây lưỡng cực mang tải công suất 12,6 GW của nhà máy thủy điện Itaipu (tần số 50 Hz) phát vào hệ thống 60 Hz ở Saopaolo
Việc truyên tải được bắt đầu trên lưỡng cực thứ nhất vào tháng 10 năm 1984, và trên lưỡng cực thứ hai vào tháng 7 năm 1987.
22
Hệ thống truyền tải HVDC được lựa chọn bởi 2 lý do chủ yếu như sau:
- Truyền tải công suất từ máy phát tần số 50 Hz vào hệ thống 60 Hz
- Tính kinh tế khi truyền tải điện năng qua một khoảng lớn. Một số thông số kỹ thuật của hệ thống:
- Thời gian đi vào vận hành: 1984 – 1987.
- Công suất truyền tải: 12,6 GW
- Cấp điện áp một chiều: ± 600 KV
- Chiều dài của đường dây trên không: 800 km.
1.5.2/ Hệ thống HVDC Leyte-Luzon, Philipine
Công ty năng lượng quốc gia Philipine đã xây dựng mộ hệ thống HVDC đơn cực công suất 440 MW – điện áp DC 350 kV, để truyền tải công suất từ nhà máy điện địa nhiệt trên đảo Leyte tới phía Nam của đảo lớn Luzon để cung cấp cho lưới điện xoay chiều của khu vực Manila. Hệ thống vận hành vào tháng 8 năm 1998.
Kết nối HVDC đã cho thấy tính hợp lý đối với cả phụ tải công nghiệp và dân cư, không chỉ bởi lượng công suất bổ sung lớn mà còn hiệu quả cải thiện ổn định vốn có của liên kết HVDC trên lưới xoay chiều.
Hình 1- 19: Hệ thống truyền tải HVDC Itaipu-saopaolo
Một số thông số kỹ thuật của hệ thống:
23
- Công suất truyền tải: 440 MW
- Cấp điện áp một chiều: 350 KV
- Chiều dài của đường dây trên không: 430 km
- Chiều dài đoạn cáp ngầm qua biển: 21 km
1.5.3/ Hệ thống HVDC Rihand – Delhi, India
Nhà máy nhiệt điện chạy than được xây dựng ở quận Sonebhadra của bang Uttar Pradesh có công suất 3 GW. Một phần công suất của nhà máy (1,5 GW) được truyền tải bởi đường dây HVDC lưỡng cực Rihand-Delhi có cấp điện áp DC ± 500 kV. Phần công suất còn lại được truyền tải bằng đường dây xoay chiều hai mạch 400 kV.
Hình 1- 20: Hệ thống truyền tải HVDC Rihand – Delhi, India
Mục đích chính của liên kết HVDC là truyền tải điện năng một cách hiệu quả và kinh tế nhất vùng phía Bắc, đáp ứng cấp bách nhu cầu về điện của khu vực này. Một số lí do chủ yếu dẫn đến việc lựa chọn liên kết HVDC thay cho liên kết xoay chiều 400 kV là: hiệu quả kinh tế cao, yêu cầu hành lang tuyến giảm đi một nửa, tổn thất truyền tải thấp hơn, độ ổn định và khả năng điều khiển tốt hơn.
Một số thông số kỹ thuật của hệ thống:
- Thời gian đi vào vận hành: 1990.
- Công suất truyền tải: 1,5 GW.
- Cấp điện áp một chiều: ± 500 kV.
24
25
CHƢƠNG 2: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CHO PHÍA CHỈNH LƢU & NGHỊCH LƢU CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI HVDC
BỘ BIẾN ĐỔI
Một hệ thống HVDC yêu cầu một bộ biến đổi công suất có khả năng biến năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều và ngược lại. Có hai dạng cấu hình cho bộ biến đổi 3 pha cơ bản là:
- Bộ biến đổi nguồn dòng (CSC) - Bộ biến đổi nguồn áp (VSC)
Hình 2- 1: Bộ biến đổi nguồn dòng và bộ biến đổi nguồn áp
Trong thời gian từ 1950-1990, hầu như các bộ biến đổi của hệ thống HVDC chỉ sử dụng cấu hình CSC. Từ đầu những năm 1950 đến giữa những năm 1970, CSC sử dụng van thủy ngân hồ quang, và sau đó hầu như được thay thế bởi van Thyristor.
Từ khoảng năm 1990 trở đi, lựa chọn VSC trở nên hiệu quả kinh tế do sự sẵn có của các van công suất cao tự đóng ngắt mới (chẳng hạn như các GTO và IGBT) và khả năng tính toán của các bộ xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processor) để tạo ra các mô hình kích mở thích hợp.
Hệ thống truyền tải HVDC hiện đại có thể sử dụng các bộ biến đổi nguồn dòng truyền thống (CSC) hoặc là bộ biến đổi nguồn áp (VSC). Hai bộ biến đổi thực tế là các cặp của nhau. Tuy nhiên, việc lựa chọn phương án nào cho một dự án cụ thể
26
dựa trên chỉ tiêu kinh tế và các yếu tố khác. So sánh các đặc điểm của hai loại bộ biến đổi được thực hiện trong bảng 2.1. Tuy nhiên, hiện nay VSC còn hạn chế công suất dưới 250 MW do các hạn chế về thương mại và thực tế của các van điện tử.
Bảng 2- 1: Bảng so sánh hai bộ biến đổi CSC và VSC
N0
BỘ BIẾN ĐỔI
CSC VSC
Phía AC
- Hoạt động như một nguồn áp không
đổi.
- Yêu cầu một bộ tụ điện làm nhiệm vụ lưu trữ năng lượng.
- Yêu cầu một bộ lọc AC để loại bỏ sóng hài.
- Yêu cầu một nguồn cung cấp công suất phản kháng để điều chỉnh hệ số công suất.
- Hoạt động như một nguồn dòng
không đổi.
- Yêu cầu một bộ kháng điện làm nhiệm vụ lưu trữ năng lượng.
- Không yêu cầu một nguồn cung cấp
công suất phản kháng khi bộ biến đổi hoạt động ở bất kỳ góc phần tư nào.
Phía DC
- Hoạt động như một nguồn dòng
không đổi.
- Yêu cầu một bộ điện kháng với nhiệm vụ lưu trữ năng lượng.
- Yêu cầu bộ lọc DC.
- Cung cấp những chức năng
giới hạn dòng sự cố riêng.
- Hoạt động như một nguồn áp không
đổi.
- Yêu cầu một bộ tụ điện làm nhiệm vụ như một thiết bị lưu trữ năng lượng.
- Một bộ tụ điện làm nhiệm vụ lọc DC
với giá thành không cao.
- Khó xác định lỗi phía đường dây DC
khi tụ điện được nạp sẽ phóng điện tạo ra sự cố.
Bộ Chuyển
Mạch
- Chuyển mạch diễn ra tại tần số đường dây.
- Tổn hao chuyển mạch thấp hơn
- Chuyển mạch diễn ra ở tần số cao.
- Tổn hao chuyển mạch cao hơn.
Mức Công
Suất
- 0÷550 MW/ Bộ biến đổi
- Điện áp một chiều lên đến 600 KV
- 0÷200 MW/ Bộ biến đổi.
- Điện áp một chiều lên đến 100 KV
Chương này sẽ trình bày lý thuyết được đơn giản hóa và cách tiếp cận tính chất làm việc của hai bộ biến đổi này.
27
2.1 BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN DÕNG CSC
Xem xét phân tích lý thuyết của một bộ biến đổi cầu 6 xung thường, các giả định được thực hiện như sau:
Dòng một chiều Id là không đổi (tức là cuộn san dòng Ld là vô cùng).
Các van là các khóa lý tưởng.
Hệ thống dòng xoay chiều là vô cùng mạnh (tức là các sức điện động cảm ứng 3 pha cân bằng và hình sin hoàn toàn).
Hình 2- 2: Mạch cầu 6 xung
Vì có điện kháng tản Lc của máy biến áp bộ biến đổi nên chuyển mạch của van
không xảy ra tức thời. Trùng dẫn là cần thiết và phụ thuộc vào thông số mạch. Trường hợp tổng quát nhất, điện kháng tản của máy biến áp bộ biến đổi với giá trị đặc trưng từ 13-18% có thể hai hoặc là ba van dẫn đồng thời. Về cơ bản, điều này kết quả như là một góc chuyển mạch µ nhỏ hơn 60˚, thường từ 20˚-25˚. Trong thời gian chuyển mạch có ba van dẫn đồng thời, tuy vậy ở giữa các lần chuyển mạch chỉ có hai van dẫn. Trường hợp hai hoặc là ba van dẫn được hiển thị trong hình 2-3
28
Để lấy được các mối liên hệ giữa các biến số ở phía AC-DC của bộ biến đổi, hai trường hợp sau được xem xét: đầu tiên, với một bộ biến đổi lý tưởng không có điện kháng tản (chuyển mạch) tức là không có góc trùng dẫn chuyển mạch. Và thứ hai, với một điện kháng tản dẫn đến góc trùng dẫn chuyển mạch nhỏ hơn 60˚.
2.1.1 Trƣờng hợp không có góc trùng dẫn chuyển mạch
Các sức điện động cảm ứng pha tức thời của nguồn xoay chiều 3 pha là:
Các sức điện động cảm ứng dây tương ứng là :
Các dạng sóng được hiện thị trong hình 2.3
Hình 2- 4: Dạng sóng của điện áp dây và điện áp pha