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
Các điện áp một chiều qua cầu là khác với điện áp pha, chẳng hạn như miền gạch chéo A0 (hình 2-4) trong thời gian đó van T1 và T5 đang dẫn.
29
Điện áp một chiều trung bình Vd xác định bằng việc lấy tích phân điện áp tức thời trong thời gian 60˚.
Ở đây: Vd0 được gọi là điện áp một chiều không tải lý tưởng với α = 0˚. Em là điện áp đỉnh xoay chiều ; ELL là điện áp dây hiệu dụng.
Mạch tương đương của bộ biến đổi chỉ với hai van dẫn hiển thị trong hình 2-4
Hình 2- 5: Bộ biến đổi cầu với hai van dẫn
Với một góc trễ α, Tích phân có hạn được tăng bởi α, và do đó:
Mối quan hệ giữa dòng xoay chiều và dòng một chiều
Giả sử không có tổn thất cầu, nguồn xoay chiều cấp vào trong cầu là tương đương nguồn một chiều phát ra từ cầu, tức là:
Ở đây IL1 là thành phần tần số cơ bản của dòng điện dây và ϕ là góc pha giữa điện áp dây và dòng điện dây. Điện áp dây và dòng điện dây được mô tả trong hình 2-6, Dòng điện dây có dạng chữ nhật, và với không có trùng dẫn tức là không có góc trễ, nó sẽ cùng pha với điện áp dây. Tuy nhiên, với có trễ, dòng này sẽ bị thay thế bởi góc α.
30
Hình 2- 6: Mối liên hệ giữa dòng xoay chiều và một chiều với không có trùng dẫn
Bằng phân tích Fourie, giá trị dòng điện dây được đưa ra bởi:
2.1.2 Trƣờng hợp với góc trùng dẫn chuyển mạch nhỏ hơn 60 độ
Tham chiếu đến điều kiện điện cảm chuyển mạch và góc trùng dẫn chuyển mạch nhỏ hơn 60˚, tức là khi ba van dẫn.
Hình 2- 7: Bộ biến đổi cầu với van 1,2 và 3 dẫn
Trong khoảng thời gian này (hình 2-7), dòng một chiều được chuyển từ van 1 đến van 3. Thời điểm đầu, wt = α, i1 = Id, i3 = 0. Thời điểm cuối, wt = α + µ, i1 = 0 và i3 = Id.
31 Xung quanh mạch: Trong mạch đóng cắt: Và i1 = Id – i3 (2-12) Do đó: di1/dt = 0 – di3/dt (2-13)
Chúng ta có thể coi sức điện động cảm ứng trong mạch đóng cắt như sau:
Tích phân phương trình này ta được:
Phương trình này cho thấy rằng dòng i3 bao gồm một thành phần một chiều và
một thành phần hình sin. Thành phần hình sin làm trễ điện áp chuyển mạch ở 90 độ kể từ khi mạch cảm ứng hoàn toàn, và nó có giá trị đỉnh 1,732.ELL/2wLc. Giá trị dòng điên này là giá trị ngắn mạch dây-dây ở nguồn xoay chiều. Thành phần một chiều phụ thuộc vào điều kiện cosα.
Thời điểm cuối chuyển mạch, wt = α + µ, và i3 = Id. Sử dụng vào trong phương trình (2-15) đưa ra:
Điện áp một chiều trung bình của bộ biến đổi (được biểu diễn bởi miền A0 trong hình 2-8) bị giảm do ảnh hưởng của trùng dẫn gây ra bởi một điện áp rơi ∆Vd
được biểu diễn bởi miền A trong hình 2-8, qua điện trở kháng chuyển mạch. Trong thời gian chuyển mạch, điện áp dây của pha ngắn mạch là 0. Điều này có nghĩa rằng, các điện áp pha là bằng nhau, và hai điện trở kháng pha jwLc hoạt động như một bộ chia điện áp.
Điện áp rơi một chiều, được biểu diễn bởi miền A, được đưa ra bởi:
32
Khi Id = 1,732. VLL/2wLc.(cosα – cos(α+µ)), từ phương trình 2-16, chia hai phương trình này và sử dụng mối quan hệ giữa Vm và VLL đưa ra mối quan hệ giữa điện áp rơi và dòng một chiều.
Do đó, điện áp một chiều với trùng dẫn được đưa ra bởi:
Ở đây:
Hình 2- 8: Điện áp một chiều với ảnh hưởng của trùng dẫn
Đối với một bộ chỉnh lưu, các phân tích của cầu đưa ra điện áp một chiều đầu ra như sau:
Các kết quả từ mô phỏng EMTP của chỉnh lưu 6 xung được biểu diễn trong hình 2-9. Từ trên xuống dưới: Ba điện áp pha xoay chiều, 2 dòng điện van, hai điện áp van, dòng một chiều, điệp áp một chiều và điện áp chuyển mạch trên cuộn thứ cấp của máy biến áp bộ biến đổi. Thấy rõ là sự trùng dẫn và góc mở, cũng như các gợn sóng hài trên các tín hiệu của dòng và điện áp một chiều. Cũng nhìn thấy các nấc chuyển mạch trên điện áp xoay chiều cuộn thứ cấp máy biến áp.
33
Hình 2- 9: Các kết quả từ mô phỏng EMTP của chỉnh lưu
Đối vơi nghịch lưu có hai tùy chọn có thể phụ thuộc vào việc lựa chọn hoặc là góc trễ (phương trình 2) hoặc là góc tắt dần (phương trình 3) như là biến số điều khiển.
Ở đây:
- Vdr và Vdi – Điện áp một chiều của chỉnh lưu và nghịch lưu
- Vdor và Vdoi – Điện áp một chiều hở mạch của chỉnh lưu và nghịch lưu - Rcr và Rci – Điện trở chuyển mạch tương đương của chỉnh lưu và nghịch lưu - Lcr và Lci – Điện cảm tản của máy biến áp chỉnh lưu và nghịch lưu
- Id – Dòng một chiều ; α – Góc mồi
- β – Góc vượt trước của nghịch lưu, (β = π – α)
34
2.2 BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN ÁP VSC 2.2.1 Giới thiệu 2.2.1 Giới thiệu
Lợi ích thương mại của các van GTO và IGBT công suất cao và điện áp cao vào những năm 1990 đưa ra vận hành khả thi của các bộ VSC trong đề án HVDC. Về bản chất, tác động của một bộ VSC trên hệ thống điện xoay chiều có thể được xấp xỉ như là tổng của một bộ CSC thường và SVC lắp song song, nhưng bổ sung thêm tính linh hoạt của chuyển mạch an toàn. [2].
Các loại khác nhau của phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) có thể được sử dụng để vận hành VSC trong chế độ nghịch lưu để cung cấp đầu ra hình sin đến hệ thống xoay chiều. Những lợi thế của VSC là:
Điều khiển nhanh công suất tác dụng cũng như công suất phản kháng.
Nó cung cấp chất lượng điện năng mức cao.
Tác động đến môi trường tối thiểu.
Khả năng kết nối đến các mạng xoay chiều kém hoặc thậm chí mạng chết.
Ứng dụng công nghệ này như sau:
Truyền tải HVDC công suất thấp (< 250MW) (thương mại gọi là “HVDC Light”)
Tính toán VAR (SVC và STATCOM)
Các bộ lọc hoạt tính.
35
Các bộ VSC dùng các van tự khóa/mở (GTOs, IGBTs) có thể được đóng hay cắt. Điều này là tương phản với các CSC thông thường vận hành với các van Thyristor tự chuyển mạch đường dây. Sự khóa/mở trong một van VSC chuyển mạch cưỡng bức có thể xảy ra nhiều lần trên một chu kỳ, trong khi ở một CSC chuyển mạch đường dây, nó có thể xảy ra chỉ một lần trong một chu kỳ. Đặc điểm này cho phép điện áp/dòng điện trong một VSC được điều chế để sinh ra một đầu ra gần hình sin và điều khiển hệ số công suất tốt. Hơn nữa, việc đảo công suất trong một VSC có thể được thực hiện với việc đảo điện áp hoặc đảo dòng điện ở phía một chiều. Ngược lại, với một bộ CSC, đảo công suất chỉ có thể xảy ra với đảo điện áp.