Theo kết quả nghiên cứu, nếu EVN ký hợp đồng mua điện từ công ty lưới điện Phương Nam thì ở mức công suất 1500 MW, 3000 MW và 4500 MW trong khoảng thời gian dài (20-30 năm) truyền tải bằng đường dây một chiều sẽ có chi phí hiện tại hóa thấp hơn phương án xây dựng trạm Back-to-Back khoảng 20-30%. Phương án Back-to-Back 500 kV sẽ phù hợp khi các nhà quy hoạch và hoạch định chính sách có dự kiến phát triển lưới điện AC500kV quốc gia lên khu vực cửa khẩu Lào Cai, Hà Giang, kịch bản này phụ thuộc vào sự phát triển kinh tế của các tỉnh vùng núi phía Bắc và cần được nghiên cứu trong quy hoạch dài hơi hơn, có thể là từ 30-50 năm.
74
3.2.4 Nhận xét
Hệ thống truyền tải điện siêu cao áp một chiều đã có lịch sử phát triển 60 năm, trong đó kinh nghiệm vận hành hệ thống +/-600 kV là trên 20 năm. Cùng với sự phát triển của công nghệ điện tử công suất, chi phí cho hệ thống HVDC ngày càng giảm. Các hệ thống HVDC đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới và trở thành bộ phận không thể thiếu trong hệ thống điện quốc gia của các nước như Mỹ, Brazil, Trung Quốc,…
Ở Việt Nam, truyền tải siêu cao áp một chiều +/- 500 kV có khả năng ứng dụng rất cao khi mua điện từ Trung Quốc với công suất từ 1500 MW, khoảng cách 450 km. Mặc dù chi phí hiện tại hóa của hệ thống DC cao hơn AC khoảng 40% nhưng đường dây DC sẽ đảm bảo cho 2 hệ thống điện của 2 nước vận hành độc lập.
Đối với việc truyền tải lượng công suất lớn từ khu vực Nam Trung bộ về KV. TP. Hồ Chí Minh, khoảng cách 270 km thì truyền tải bằng đường DC 500 kV sẽ không kinh tế so với phương án truyền tải bằng hệ thống xoay chiều AC500kV và AC765kV. Nguyên nhân do chi phí xây dựng các trạm chuyển đổi 2 đầu đường dây quá lớn dẫn đến chi phí đầu tư tăng cao hơn phương án AC500kV từ 80-90%, không phát huy được ưu thế của hệ thống DC là vốn đầu tư cho đường dây thấp hơn, tổn thất thấp và không gặp các vấn đề về bù công suất phản kháng.
75
CHƢƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG MỘT HỆ HVDC 4.1 GIỚI THIỆU
Tăng định mức và cải thiện hiệu suất của các thiết bị bán dẫn tự chuyển mạch đã được thực hiện có thể truyền tải điện cao áp một chiều dựa trên bộ biến đổi nguồn áp. Hai công nghệ đưa ra bởi nhà chế tạo là HVDC Light và HVDC Plus.
Chương này minh họa mô hình truyền tải HVDC sử dụng bộ biến đổi nguồn áp.
Mục đích của chương này là chứng minh việc sử dụng các khối SimPowerSystemTM
trong mô phỏng một đường truyền tải HVDC dựa trên các bộ VSC kẹp điểm trung tính (NPC) ba bậc với kỹ thuật điều chế độ rộng xung hình sin cơ bản sử dụng sóng mang môt pha. Nhiễu được tạo ra để kiểm tra đặc tính động của hệ thống.
4.2 MÔ TẢ TRUYỀN TẢI ĐIỆN CAO ÁP MỘT CHIỀU
Đặc điểm chính của truyền tải HVDC dùng VSC là khả năng điều khiển độc lập dòng công suất tác dụng và phản kháng ở từng hệ thống xoay chiều đến vị trí mà nó được kết nối, tại điểm nối chung (PCC). Ngược lại với truyền tải HVDC sử dụng line-commutated, sự phân cực của điện áp truyền tải một chiều vẫn giống với dòng điện một chiều đang bị đảo ngược để thay đổi hướng của dòng công suất.
4.3 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI HVDC SỬ DỤNG BỘ BIẾN ĐỔI VSC
76
Hình 4- 2: Hệ thống điện xoay chiều 1 và 2
Hệ thống xoay chiều 230 kV, 200 MVA (hệ thống AC 1 và hệ thống AC 2) được mô hình bằng các đương lượng R-L tắt dần với góc 80˚ tại tần số cơ bản (50 Hz) và sóng hài bậc 3. Bộ biến đổi VSC sử dụng các khối cầu ba cấp gần như là mô hình thiết bị chuyển mạch lý tưởng của IGBT/Diode. Đơn giản tương đối với nó, IGBT có thể được điều khiển và sự tương thích của nó đối với chuyển mạch tần số cao đã làm cho thiết bị này là lựa chọn tốt hơn GTO và Thyristor.
77
Hình 4- 4: Trạm biến đổi 2 (Nghịch lưu)
Một máy biến áp bộ biến đổi (Yg-D) được sử dụng để cho phép chuyển đổi điện
áp tối ưu. Tổ đấu dây máy biến áp này chặn thành phần sóng hài bậc ba sinh ra bởi bộ biến đổi. Bộ chuyển nấc máy biến áp và các đặc tính bão hòa không được mô phỏng. Vị trí nấc đúng hơn là ở vị trí cố định được xác định bởi một hệ số nhân ứng với điện áp danh định cuộn sơ cấp của máy biến áp bộ biến đổi. Các hệ số nhân được lựa chọn để có một chỉ số điều chế quanh 0,85 (hệ số máy biến áp phía chỉnh lưu là 0,915 và phía nghịch lưu là 1,015). Cuộn dây bộ biến đổi và điện kháng tản máy biến áp cho phép điện áp đầu ra VSC thay đổi pha và biên độ đối với hệ thống điện xoay chiều (thanh cái B1 cho trạm 1, thanh cái B2 cho trạm 2) và cho phép điều khiển đầu ra công suất tác dụng và công suất phản kháng bộ biến đổi.
Để đáp ứng lọc sóng hài hệ thống xoay chiều, các bộ lọc xoay chiều được đặt ở vị trí đặc biệt. Chúng được kết nối như các bộ phận song song ở phía hệ thống xoay chiều hay phía máy biến áp bộ biến đổi. Khi chỉ có sóng hài tần số cao, bộ lọc song song thành ra làm một so sánh nhỏ tương đối với định mức bộ biến đổi. Nó là vừa đủ với bộ lọc thông cao tần và không cần điều chỉnh bộ lọc. Bố trí sau đây được sử dụng trong mô hình và một cuộn dây bộ biến đổi, một cuộn dây lõi không khí, phân
78
tách tần số cơ bản (thanh cái bộ lọc) khỏi dạng sóng PWM thô (thanh cái bộ biến đổi). Sự sinh ra sóng hài xoay chiều chủ yếu phụ thuộc vào :
Loại điều chế (sóng mang một pha hay ba pha, véc tơ không gian,…)
Hệ số tần số p = tần số sóng mang / tần số bộ điều chế (p = 1350/50 = 27)
Hệ số điều chế m = điện áp đầu ra cơ bản của bộ biến đổi /điện áp DC cực-cực.
Hình 4- 5: Bộ lọc xoay chiều
Điện áp sóng hài chủ yếu được sinh ra ở các bội số của p. Bộ lọc xoay chiều song song là các bộ lọc thông cao tần bậc 27 và 54 có tổng công suất là 40 Mvar. Để minh họa hoạt động của bộ lọc xoay chiều, ta làm một phân tích FFT ở chế độ xác lập của điện áp pha A thanh cái bộ biến đổi và điện áp pha A thanh cái bộ lọc, sử dụng khối Powergui. Kết quả được hiển thị như sau:
79
Hình 4- 6: Điện áp pha A và phân tích FFT (a)- Thanh cái bộ biến đổi ; (b)- Thanh cái bộ lọc
Các tụ trữ năng lượng điện một chiều được kết nối đến các đầu nối VSC. Chúng có ảnh hưởng động lực học trên hệ thống và gợn sóng điện áp ở phía một chiều. Kích thước của tụ được xác định bởi hằng số thời gian T tương ứng với thời gian để nạp tụ đến điện áp cơ bản (100 kV) nếu nó được nạp với dòng điện cơ bản (1 kA). T = C.Zbase = 70e-6 . 100 = 7 ms với Zbase = 100 kV/1 kA.
Bộ lọc phía một chiều chặn tần số cao được điều chỉnh đến sóng hài bậc 3, chủ yếu là sóng hài hiện có trong điện áp cực dương và âm. Nó cho thấy rằng một dòng điện phản kháng bộ biến đổi sinh ra một sóng hài bậc ba tương đối lớn ở cả điện áp cực dương và âm nhưng không xuất hiện trong tổng điện áp một chiều. Sóng hài một chiều cũng có thể là các sóng hài thứ tự không (bội lẻ của 3) chuyển đến phía
80
một chiều (ví dụ thông qua các bộ lọc xoay chiều tiếp địa). Một cuộn san dòng được kết nối trong bộ ở từng đầu cực.
Để giữ cân bằng phía một chiều, mức khác nhau giữa các điện áp cực phải được điều khiển và giữ đến 0 (nhìn khối điều khiển cân bằng điện áp một chiều trong khối bộ điều khiển VSC).
Bộ chỉnh lưu và nghịch lưu được liên kết thông qua đường cáp 100 km (2 khâu pi). Sử dụng cáp ngầm là đặc trưng của truyền dẫn VSC-HVDC. Một máy cắt được sử dụng đối với sự cố chạm đất ba pha ở phía xoay chiều bộ nghịch lưu. Một khối nguồn áp ba pha khả lập trình được sử dụng trong hệ thống trạm 1 để chống sụt giảm điện áp ngắn hạn.
Hệ thống điều khiển VSC
81
Hình 4- 8: Bộ điều khiển VSC (trạm 2)
Một sơ đồ khối mức cao của mô phỏng mô hình bộ điều khiển VSC rời rạc được chỉ ra trong hình sau:
82
Các thiết kế bộ điều khiển bộ biến đổi 1 và 2 là giống hết nhau. Hai bộ điều khiển này là độc lập, không có truyền thông giữa chúng. Từng bộ biến đổi có hai bậc tự do. Trong trường hợp của ta, những bộ điều khiển này được sử dụng để điều khiển:
P và Q trong trạm 1 (chỉnh lưu).
Udc và Q trong trạm 2 (nghịch lưu).
Điều khiển của điện áp xoay chiều cũng có thể như là một thay đổi đến Q. Điều này đòi hỏi một bộ điều chỉnh bổ sung mà không được thực hiện trong mô hình này. Thời gian lấy mẫu của mô hình bộ điều khiển này (Ts_Điều khiển) là 74,06 µs, bằng 10 lần thời gian lấy mẫu mô phỏng. Lựa chọn sau là một phần trăm của chu kỳ sóng mang PWM (nghĩa là: 0,01/1350) đưa ra một mô phỏng chính xác chấp nhận được. Các yếu tố công suất, các bộ lọc chống răng cưa và khối bộ phát PWM sử dụng thời gian lấy mẫu cơ bản (Ts_Công suất) là 7,406 µs. Chế độ vận hành PWM không đồng bộ được lựa chọn cho mô hình này.
Điện áp và dòng điện lấy mẫu được chuẩn hóa (trong pu) được cấp tới bộ điều khiển.
Khối chuyển đổi Clark: chuyển đổi các đại lượng ba pha thành các thành phần véc tơ không gian α và β (thành phần thực và ảo). Đo lường tín hiệu (U và I) ở phía sơ cấp bị xoay bởi ±pi/6 theo tổ đấu dây máy biến áp (YD11 hay YD1) để có hệ quy chiếu tương tự với tín hiệu đo được ở phía thứ cấp của máy biến áp. (xem khối CLARK YD).
Khối chuyển đổi dq: tính toán hướng trục “d” và các đại lượng bình phương trục “q” (2 trục quay hệ quy chiếu) từ các đại lượng α và β.
Khối tính toán tín hiệu: tính toán và lọc các đại lượng được sử dụng bởi bộ điều khiển (ví dụ: công suất tác dụng và công suất phản kháng, hệ số điều chế, điện áp và dòng DC,..).
Vòng khóa pha (PLL): Khối PLL đo lường tần số hệ thống và cung cấp góc đồng bộ pha Θ (chính xác hơn [sin(Θ), cos(Θ)]) cho khối chuyển đổi dq. Ở chế độ xác lập,
83
sin(Θ) cùng pha với cơ bản (thứ tự thuận) của thành phần α và pha A của điện áp PCC (Uabc).
Vòng lặp điện áp và công suất tác dụng-phản kháng bên ngoài: Khối này chứa bộ điều chỉnh vòng lặp ngoài mà tính toán giá trị đặt của véc tơ dòng điện bộ biến đổi (Iref_dq) là đầu vào khối vòng lặp dòng điện bên trong. Các chế độ điều khiển là: theo trục “d” - dòng công suất tác dụng ở PCC hoặc điện áp một chiều cực-cực. Theo trục “q” – dòng công suất phản kháng ở PCC. Chức năng chính của khối vòng lặp điện áp và công suất tác dụng - phản kháng được mô tả bên dưới.
- Khối bộ điều chỉnh điều khiển công suất phản kháng: kết hợp một điều khiển PI
với một điều khiển tiếp thuận để tăng tốc độ đáp ứng. Để tránh ngừng bộ tích hợp, các hành động sau phải được thực hiện: Lỗi được cài lại về 0 khi điện áp PCC đo được là nhỏ hơn giá trị hằng (nghĩa là trong thời gian nhiễu xoay chiều) ; khi đầu ra bộ điều chỉnh bị giới hạn, lỗi giới hạn được cấp lại với ký hiệu đúng đến đầu vào bộ tích hợp. Khối khắc phục điện áp xoay chiều dựa vào 2 bộ điều chỉnh PI sẽ khắc phục bộ điều chỉnh công suất phản kháng để duy trì điện áp xoay chiều PCC trong dải an toàn, đặc biệt ở chế độ xác lập.
- Khối bộ điều chỉnh điều khiển công suất tác dụng: tương tự khốiđiều khiển công
suất tác dụng. Khối Ramping bổ sung sẽ điều chỉnh công suất đặt tới giá trị mong muốn với một mức điều chỉnh khi điều khiển được mở khóa. Giá trị điều chỉnh được cài lại về 0 khi bộ biến đổi bị khóa. Khối khắc phục điện áp một chiều dựa vào hai bộ điều chỉnh PI sẽ khắc phục bộ điều chỉnh công suất tác dụng để duy trì điện áp một chiều trong dải an toàn, đặc biệt trong thời gian nhiễu ở hệ thống xoay chiều của trạm điều khiển điện áp một chiều.
- Khối bộ điều chỉnh điều khiển điện áp một chiều: sử dụng một bộ điều chỉnh PI.
Khối được kích hoạt khi khối điều khiển công suất tác dụng bị ngắt. Đầu ra khối là giá trị đặt đối với thành phần “d” của véc tơ dòng điện bộ biến đổi và khối giới hạn giá trị dòng điện đặt.
- Khối tính toán giá trị dòng điện đặt: chuyển đổi giá trị công suất tác dụng và công suất phản kháng đặt được tính toán bởi bộ điều khiển P và Q đến giá trị dòng điện
84
đặt theo điện áp đo được (véc tơ không gian) ở thanh cái bộ lọc. Dòng điện đặt được ước lượng bằng cách phân chia công suất đặt bởi điện áp. (nâng lên giá trị điện áp đặt trước nhỏ nhất).
- Véc tơ dòng điện đặt bị giới hạn đến giá trị lớn nhất chấp nhận được (nghĩa là phụ thuộc thiết bị) bởi khối giới hạn dòng điện đặt. Trong chế độ điều khiển công suất, Tỷ lệ cân bằng được áp dụng với công suất tác dụng và công suất phản kháng đặt khi giới hạn bị bắt buộc. Trong chế độ điều khiển điện áp DC, ưu tiên cao nhất được đưa đến công suất tác dụng khi một giới hạn bị bắt buộc đối với điều khiển hiệu dụng của điện áp.
Vòng lặp dòng điện bên trong: Chức năng chính của khối được mô tả như sau:
- Khối điều khiển dòng xoay chiều: theo dấu vết véc tơ dòng điện đặt (thành phần
“d” và “q”) với một sơ đồ tiếp thuận để đạt được điều khiển nhanh của dòng điện ở các sự thay đổi tải và nhiễu tải (ví dụ: các lỗi ngắn mạch không vượt qua các giá trị đặt). Về bản chất, nó bao gồm các véc tơ điện áp U_dq đã biết và điện áp bộ biến đổi được tính toán bằng việc cộng thêm điện áp rơi để dòng điện chạy qua điện cảm giữa U và điện áp PWM-VSC. Phương trình trạng thái mô tả động của dòng điện VSC được sử dụng (được làm xấp xỉ bỏ qua bộ lọc xoay chiều). Thành phần “d” và “q” được tách rời để nhận được hai mô hình trạm cấp một độc lập. Một phản hồi tích phân tỷ lệ (PI) của dòng điện bộ biến đổi được sử dụng để giảm lỗi về 0 ở chế độ xác lập. Đầu ra của khối điều khiển dòng xoay chiều là véc tơ điện áp đặt không giới hạn Vref_dq_tmp.
- Khối quy định điện áp đặt: đưa vào trong tính toán điện áp một chiều thực tế và
giá trị đỉnh lớn nhất theo lý thuyết của điện áp pha cầu cơ bản trong mối liên hệ với điện áp một chiều để phát ra véc tơ điện áp đặt mới tối ưu. Trong mô hình này (một NPC 3 bậc với PWM cơ bản), tỷ số giữa điện áp pha đỉnh cơ bản lớn nhất và tổng điện áp một chiều (với một hệ số điều chế là 1) là . Bằng cách lựa chọn một điện áp dây danh định 100 kV ở thanh cái thứ cấp máy biến áp và một điện áp một chiều tổng danh định 200 kV thì hệ số điều chế danh định sẽ là 0,816. Về lý thuyết, bộ biến đổi sẽ có thể phát đến 1/0,816 hoặc 1,23 pu khi hệ
85
số điều chế bằng 1. Giới hạn điện áp này là quan trọng cho việc phát ra dòng bộ biến đổi điện dung đáng kể (nghĩa là một dòng công suất phản kháng đến hệ thống AC).
- Khối giới hạn điện áp đặt: giới hạn biên độ véc tơ điện áp đặt đến 1.0, điều chế