VSC với chế độ điều khiển dòng xoay chiều được thể hiện trong hình 2-13. Mục đích ở đây là cưỡng bức các dòng điện pha theo một dòng điện đặt trước hình sin Iref. Biên độ của giá trị dòng điện đặt này thực hiện chức năng của điện áp tụ một chiều Vd và điện áp một chiều Vref mong muốn.
38
Hình 2- 13: Bộ chỉnh lưu với PWM điều khiển dòng nguồn áp
Mẫu dạng sóng dòng điện hình sin mong muốn được duy trì như sau:
Trong đó: w giống như tần số nguồn và φ là góc lệch pha mong muốn. Do đó,
đồng bộ điện áp nguồn là cần thiết để thu được sin(wt+φ) chính xác. Đo các dòng
pha tức thời là cần thiết để tạo ra một sai lệch giữa chúng với giá trị dòng đặt, và sai lệch này là được giảm thiểu bởi các tính chất của mạch phản hồi kín.
Trong một bộ VSC với điều khiển dòng xoay chiều, do đó cần thiết để giám sát 3 điện áp và dòng pha xoay chiều (lưu ý rằng, như thể hiện trong hình, đo dòng 2 pha có thể chấp nhận được nếu không có kết nối trung gian).
Tiếp theo, các phương pháp điều chế tạo ra mô hình PWM kích mở các van bộ biến đổi để dòng điện theo giá trị đặt. Các phương pháp đều khả thi và sẽ được trình bày dưới đây.
2.2.3.1 Các phƣơng pháp điều chế PWM
Ba phương pháp điều chế PWM được sử dụng rộng rãi theo giá trị dòng điện đặt được trình bày ở đây.
39
1. Lấy mẫu có chu kỳ (PS) (Hình 2-14)
Phương pháp này sử dụng một đồng hồ tần số cố định để điều khiển các van công suất của VSC. Một tín hiệu sai lệch phát ra từ việc đo các giá trị dòng điện đặt & dòng điện dây được sử dụng để điều chế tần số nhịp & điều chế PWM sử dụng một bộ so sánh & flip-flop loại D. Thời gian tối thiểu giữa chuyển mạch được giới hạn bởi tần số nhịp.
Hình 2- 14: Phương pháp lấy mẫu có chu kỳ điều chế PWM
2. Bộ so sánh có ngƣỡng hiệu chỉnh đƣợc (Hysteresis Band – HB)
Bộ so sánh có ngưỡng hiệu chỉnh được (HB) điều chế các van bộ biến đổi khi sai lệch giữa Idây và Iref vượt quá đại lượng cố định của Iref (điển hình 5-10% giá trị đặt). Trong trường hợp này, tần số chuyển mạch là không cố định và biến đổi như là một chức năng của đại lượng Iref, ngưỡng hiệu chỉnh được h và điện cảm trong tải.
Hình 2- 15: Bộ so sánh có ngưỡng hiệu chỉnh được (HB) điều chế PWM
3. Sóng mang tam giác (Triangular Carrier – TC)
Phương pháp TC so sánh sai lệch giữa Idây và Iref với một tần số cố định, biên độ sóng mang tam giác cố định. Một bộ điều chỉnh PI cung cấp các đặc tính tĩnh và động đến mạch phản hồi. Phương pháp này phức tạp hơn hai phương pháp kia trong việc thực hiện khi độ khuếch đại của bộ điều khiển PI cần được lựa chọn.
40
2.2.4 VSC với điều khiển điện áp xoay chiều
Hình 2-17 thể hiện một phiên bản một pha tương đương của VSC với điều khiển điện áp. Trong mạch này, điện áp được sinh ra Vgen có thể được điều khiển ở cả biên độ và pha với điện áp nguồn VS. Một lợi thế của phương pháp này là nó không yêu cầu dòng xoay chiều đầu vào được giám sát. Mẫu Vgen thu được bên dưới từ hình:
Hình 2- 17: Thực thi bộ chỉnh lưu với điện áp điều khiển cho vận hành hệ số công suất đơn vị [2]
Giả sử rằng: vs = V*sqrt(2) thì dòng điện sẽ có dạng:
Giải Vgen đưa ra:
41
Phương trình này cung cấp một phương thức điều khiển Vgen thông qua việc điều chế Imax. Phương trình này cũng điều khiển hệ số công suất cosφ. Trường hợp hệ số công suất đơn vị được mong muốn thì cosφ = 1 và sinφ = 0, và có thể được sử dụng để đơn giản hóa phương trình trên.
(2-28) Giải quyết thuật toán này với việc thực thi được thể hiện trong hình 2-17. Chú ý rằng phương trình trên có điều kiện cùng pha và vuông pha cho phép nó điều chế cả biên độ và pha của điện áp được sinh ra Vgen.
Khi so sánh với VSC với điều khiển dòng điện, không cần giám sát ba dòng điện pha để thực thi thuật toán này. Tuy nhiên do hiện diện điều kiện R và Xs, hiểu biết đúng về điện trở kháng nguồn là cần thiết. Điều này thực thi trong thực tế là rất khó khi điện trở kháng nguồn thay đổi trong hệ thống điện tùy thuộc vào liên kết ngẫu nhiên và các thay đổi môi trường. Điều này là có thể. Do đó dẫn đến các vấn đề cho việc ổn định sự thực thi phản hồi này và nó là bất lợi lớn của công nghệ này.
Với mẫu cho Vgen, một phương pháp điều chế để phát ra các xung kích mở các
van VSC là cần thiết. Một trong những phương pháp phổ biến nhất là phương pháp điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) sử dụng một sóng mang tam giác, được thể hiện trong hình 2-18.
Hình 2- 18: Thực thi PWM hình sin
Hai thông số được quan tâm trong công nghệ SPWM là chỉ số điều chế biên độ ma và chỉ số điều chế tần số mf. Giá trị điển hình của các thông số này đối với các bộ biến đổi công suất lớn là: ma = 0,8 và mf = 15. Các giá trị này được lựa chọn như là một sự cân bằng giữa việc giảm thiểu lượng sóng hài trong điện áp đầu ra và
42
giảm tổn thất chuyển mạch trong các van điện tử công suất. Một ví dụ về điều chế PWM với các giá trị này được thể hiện trong hình 2-19 với chuyển mạch điện áp lưỡng cực (a) hoặc là chuyển mạch điện áp đơn cực (b).
2.2.4.1 PWM với chuyển mạch điện áp lƣỡng cực
Trong thiết kế PWM này, theo đường chéo đối diện các van từ 2 chân của bộ biến đổi được chuyển mạch cùng nhau như là các cặp van 1 và 2 tương ứng. Với loại chuyển mạch PWM này, dạng sóng điện áp đầu ra của chân là giống với đầu ra của bộ nghịch lưu một chân cơ bản được xác định bằng cách so sánh một sóng hình sin và một sóng tam giác. Trong hình 2-19a, nó có thể được quan sát mà điện áp đầu ra chuyển giữa các mức điện áp +Vd và –Vd. Đó là lý do tại sao loại chuyển mạch này được gọi là PWM với chuyển mạch điện áp lưỡng cực.
2.2.4.2 PWM với chuyển mạch điện áp đơn cực
Trong thiết kế PWM với chuyển mạch điện áp đơn cực, các van trong hai chân của bộ nghịch lưu toàn cầu không được đóng ngắt cùng một lúc, như trong thiết kế PWM trước. Ở đây, các chân của bộ nghịch lưu toàn cầu được điều khiển riêng biệt bằng cách so sánh sóng tam giác với một sóng hình sin hay cosin tương ứng. Như thể hiện trong hình 2-19b, so sánh Vcontrol với các kết quả dạng sóng tam giác trong các tín hiệu lô gic để điều khiển các van T1 và T3.
Trong thiết kế PWM này, khi một chuyển mạch xảy ra, điện áp đầu ra thay đổi giữa các mức điện áp 0 và +Vd hoặc giữa 0 và -Vd. Vì lý do này, loại thiết kế PWM này được gọi là PWM với một chuyển mạch điện áp đơn cực, như là trái ngược PWM với thiết kế chuyển mạch điện áp lưỡng cực (giữa +Vd và –Vd) được mô tả trước đó. Về mặt các sóng hài đầu ra liên quan, so sánh với thiết kế chuyển mạch điện áp lưỡng cực. Thiết kế này có lợi thế là hiệu quả gấp đôi về tần số chuyển mạch. Ngoài ra điện áp nhảy trong điện áp đầu ra ở từng chuyển mạch được giảm đến Vd, so với 2Vd trong thiết kế trước.
43
Hình 2- 19: Phương pháp chuyển mạch lưỡng cực (a) và đơn cực (b)
2.3 NHẬN XÉT
Các mô hình bộ biến đổi truyền thống vốn được dựa trên bộ biến đổi nguồn dòng hiện nay đã chuyển hướng sang bộ biến đổi nguồn áp. Điều này đã mở ra các khả năng cho các ứng dụng loại FACTS và trong thập kỷ tới sẽ thấy các ứng dụng loại này ngày càng tăng.
44
CHƢƠNG 3: ĐÁNH GIÁ TÍNH KHẢ THI ỨNG DỤNG HVDC TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM
3.1 NÂNG CAO KHẢ NĂNG TRUYỀN TẢI VÀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 3.1.1 Hệ thống điện Việt Nam [2] 3.1.1 Hệ thống điện Việt Nam [2]
Nhằm đáp ứng với tốc độ tăng trưởng trong những năm tới, ngành điện Việt Nam với định hướng phát triển đồng bộ giữa nguồn và lưới điện đã tiến hành đầu tư xây dựng hàng loạt các công trình nguồn điện than ở ba miền đất nước trong giai đoạn đến năm 2020 với tổng công suất dự kiến đến 29 GW. Riêng ở Miền Nam khoảng 18,8 GW. Theo TSĐ VI và đề án “Quy hoạch đấu nối các TTNĐ than toàn quốc vào HTĐQG” để truyền tải lượng công suất này về trung tâm phụ tải dự kiến sẽ xây dựng hàng loạt các đường dây 500 kV. Chỉ tính riêng cụm TTNĐ than Vĩnh Tân (4400 MW), nguyên tử (1000÷2000 MW) sẽ xem xét xây dựng 4 mạch DZ 500 kV đấu nối đến trung tâm phụ tải, ngoài ra kết hợp với các TTNĐ than Miền Trung (2400 MW/TT) như Cam Ranh, Bình Định, TĐTN (1200 MW) cần phải xây dựng thêm ít nhất 2 đường dây mạch kép để truyền tải.
45
Như vậy khả năng xây dựng trên 6 mạch đường dây 500 kV đi vào Miền Nam, 2 mạch đi ra khu vực Miền Bắc (đường dây 500 kV Bình Định kết nối đến trạm biến áp 500 kV Dốc Sỏi) là không tránh khỏi.
Hệ thống điện Việt Nam bao gồm ba miền: Bắc, Trung và Nam. Trong đó miền Nam vẫn chiếm ưu thế là nơi tập trung phụ tải tiêu thụ lớn nhất. Để đáp ứng nhu cầu tăng trưởng của miền Nam, đến giai đoạn năm 2020 rất nhiều đường dây 500 kV dự tính sẽ được xây dựng nhằm truyền tải công suất nguồn điện từ Nam Trung Bộ vào cung cấp cho phụ tải tại miền Nam (hình 3-1).
Bảng 3- 1: Cân bằng công suất nguồn và phụ tải khu vực Nam Trung Bộ
Theo đó tổng công suất thừa cần truyền tải sang khu vực khác từ các nhà máy điện tại khu vực Nam Trung Bộ khoảng 3200 MW năm 2015 và 9900 MW năm 2020.
STT Địa danh
Công suất (MW)
2010 2015 2020
1
Khánh Hoà + Bình Định thừa (+), thiếu (-) -190 -85 3431
Nguồn điện 246 956 5156
Nhiệt điện Bình Định 2400
Nhiệt điện Cam Ranh 600 2400
Thuỷ điện khu vực (Vĩnh Sơn, Sông Hinh, Hạ Sông Ba) 246 356 356
Phụ tải 536 1041 1725
2
Ninh Thuận & Bình Thuận thừa (+), thiếu (-) 644 3729 6534
Nguồn điện 937 4337 7537
Nhiệt điện Vĩnh Tân 0 3400 4400
Điện hạt nhân #1 0 0 1000
Thuỷ điện khu vực (Đa Nhim, Đại Ninh, Hàm Thuận, Đa My) 937 937 937
Thuỷ điện tích năng 1200
Phụ tải 293 608 1003
3
Tổng nguồn khu vực 1183 5293 12693
Tổng phụ tải khu vực 829 1649 2728
46
3.1.2 Ứng dụng HVDC cho hệ thống điện Việt Nam
Hình 3- 2: Phân bố công suất lưới điện 500 kV Miền Nam năm 2020-mô hình HVAC
Theo tài liệu [2], khu vực Nam Trung Bộ sẽ xây dựng rải rác một số nhà máy nhiệt điện, thuỷ điện và truyền tải về Miền Nam bằng mô hình điện áp xoay chiều 500 kV (HVAC). Công suất và vị trí các nguồn điện xem ở bảng 3-1 và hình 3-1. Hình 3-4 cho kết quả trào lưu công suất lưới điện 500 kV ở Miền Nam năm 2020.
Truyền tải với mô hình HVAC cho thấy đối với các đường dây 500 kV từ NĐ Bình Định đi Di Linh là các đường dây khá dài và tập trung các nguồn điện công suất lớn như TTNĐ than Bình Định, Cam Ranh, TĐTN, do đó khi sự cố trên các đoạn đường dây này, đặc biệt là đoạn đường dây truyền tải công suất cao như 500 kV TĐTN – Di Linh, sẽ gây ra các dao động công suất lớn và kéo dài, có thể gây
47
mất ổn định nếu thời gian loại trừ sự cố lớn. Khả năng hệ thống phục hồi sau sự cố trên tuyến đường dây này có thể kém.
Nhằm kiểm chứng nhận định trên, khảo sát ổn định động bằng chương trình mô phỏng PSS/E-30 với trường hợp sự cố ngắn mạch 3 pha vĩnh cửu trên tuyến đường dây 500 kV Di Linh-TĐ tích năng, điểm sự cố gần thanh cái 500 kV TĐTN (với sự cố này toàn bộ hơn 2600 MW cung cấp cho miền Nam bị mất trong khoảng thời gian sự cố) cho thấy dao động góc pha của các tổ máy phát đấu nối trên mạch kép 500 kV đường dây như NĐ than Bình Định, Cam Ranh, TĐ tích năng ban đầu đi về ổn định tuy nhiên khảo sát càng về sau dao động góc pha của các tổ máy này có xu hướng càng lúc càng tăng cao, khả năng phục hồi hệ thống thấp.
Hình 3- 3: Dao động điện áp, công suất, góc pha máy phát trường hợp sự cố ngắn mạch 3 pha vĩnh cửu trên DZ 500 kV Di Linh-TĐTN (đóng lặp lại không thành công), điểm
48
Như vậy có thể thấy việc triển khai xây dựng quá nhiều trung tâm và truyền tải bằng nhiều đường dây 500 kV có thể sẽ không khả thi bằng việc xây dựng một hoặc hai trung tâm công suất lớn và sử dụng mô hình truyền tải HVDC.
Hình 3- 4: Phân bố công suất lưới điện 500kV Miền Nam năm 2020-mô hình HVDC
Mô hình HVDC sẽ nâng cao khả năng phục hồi ổn định hệ thống sau sự cố, đồng thời giảm chi phí xây dựng do không phải thực hiện đầu tư các nguồn điện rải rác. Hình 3-5 trình bày kết quả tính toán đối với mô hình nguồn nhiệt điện tập trung và truyền tải về trung tâm phụ tải bằng hệ thống HVDC trong đó:
Xây dựng TTNĐ than Bình Định (5200 MW) và Cam Ranh (6400 MW).
Xây dựng hai trạm biến đổi, công suất mỗi trạm là 9000 MVA tại Cam Ranh và Tân Thành.
TTNĐ than Bình Định đấu nối Cam Ranh bằng đường dây 500 kV AC
49
Đấu nối giữa trạm chỉnh lưu tại TTNĐ than Cam Ranh với trạm nghịch lưu
tại Tân Thành bằng 3 đường dây DC lưỡng cực ± 800 kV, dài 320 km.
Từ trạm nghịch lưu Tân Thành truyền tải về trung tâm phụ tải bằng đường
dây 500 kV AC mạch kép Tân Thành - Mỹ Phước dài 28 km và Tân Thành - Sông Mây dài 18 km.
Với mô hình HVDC, xem xét sự cố trầm trọng nhất là ngắn mạch 3 pha vĩnh cửu trên DZ 500 kV AC từ NĐ Bình Định đi NĐ Cam Ranh, điểm sự cố gần trạm chỉnh lưu, với sự cố này toàn bộ 7500 MW cung cấp cho Miền Nam bị mất trong khoảng thời gian sự cố.
Khảo sát dao động góc pha các tổ máy tại TTNĐ than Bình Định và Cam Ranh cho thấy dao động tắt nhanh và đi về ổn định sau thời gian khoảng 20 sec.
Hình 3- 5: Dao động điện áp, góc pha máy phát trường hợp sự cố ngắn mạch 3 pha vĩnh cửu trên DZ 500 kV NĐ Bình Định-NĐ Cam Ranh (đóng lặp lại không thành
50
Hình 3- 6: Dao động công suất DC tại đầu chỉnh lưu, góc cắt trước, góc kích trễ trường hợp sự cố vĩnh cửu trên DZ 500 kV NĐ Bình Định-NĐ Cam Ranh (đóng lặp lại không
thành công), điểm sự cố gần thanh cái 500 kV Cam Ranh (RECTIFIER)
Quan sát các dao động góc điều khiển α và γ trong mô hình điều khiển CDC4 có thể thấy: trước khi sự cố giá trị góc kích trễ chỉnh lưu α=15,38˚; góc cắt trước nghịch lưu γ=16,76˚. Trong khoảng thời gian sự cố, dao động α trong khoảng giá trị (4,98˚; 21,35˚) và γ trong khoảng giá trị (14,92˚;16,96˚). Tại các thời điểm sự cố bộ điều khiển CDC4 sẽ kích khoá bằng cách phát xung điều khiển đặt α và γ đến 90˚. Với cách điều khiển này sẽ hạn chế được dao động công suất của hệ thống điện đấu nối sau trạm nghịch lưu và góp phần làm giảm dao động chung của toàn