5.2.1. Ƣu điểm của truyền tải 1 chiều
a, Công suất lớn hơn có thể truyền theo dây dẫn theo mạch điện
Khả năng truyền tải công suất của đường dẫn một chiều và đường dẫn xoay chiều là khác nhau.
Cho cùng một cách nhiệt, điện áp trực tiếp Vd bằng với giá trị đỉnh (√ giá trị hiệu dụng) của điện áp xoay chiều Vd.
Vd = √ Va (5.1)
Trong đó:
Vd: Điện áp trực tiếp Va: Điện áp hiệu dụng
Cho cùng một cỡ dây dẫn, cùng một dòng có thể truyền tải cả một chiều và xoay chiều nếu xét đến hiệu ứng bề mặt
Id = Ia
Tương tự như vậy truyền tải điện năng sử dụng 2 dây dẫn với một chiều và xoay chiều được tính như sau:
Công suất mỗi dây 1 chiều Pd = Vd.Id (5.2)
Công suất mỗi dây xoay chiều Pd= Va.Ia.cosφ (5.3) Việc truyền tải công suất với 1 chiều qua xoay chiều được đưa ra tỷ lệ các công suất
= √
(5.4)
Trong thực tế, truyền tải xoay chiều được thực hiện bằng cách sử dụng mạch đơn hoặc mạch kép truyền tải 3 pha sử dụng 3 hoặc 6 dây dẫn. Trong trường hợp như vậy tỷ số cho công suất phải được nhân với 2/3 hoặc 4/3.
Nói chung, chúng ta đang quan tâm đến việc truyền tải một số lượng công suất nhất định ở mức độ cách nhiệt tại một hiệu quả truyền nhất định. Như vậy, cho
99
dù cùng 1 công suất truyền tải P, cùng tổn hao PL và cùng đỉnh điện áp V. Chúng ta có thể xác định được độ giảm tiết diện của dây dẫn Ad/Aa.
Để Rd và Ra là 2 giá trị trở kháng tương ứng của 1 chiều và xoay chiều tương ứng có thể bỏ qua điện trở ngoài.
Đối với dòng 1 chiều = (5.5)
Tổn thất công suất PL=( (5.6) Đối với dòng xoay chiều =
( √ ) √ (5.7) Tổn thất công suất PL=[ √ = (5.8) Tính toán tổn thất công suất của nguồn 1 chiều và xoay chiều:
( ) ( ) (5.9)
Kết quả cho các tỷ lệ:
(5.10)
Kết quả đã được tính toán tại cùng hệ số công suất và độ trễ 0.8 để nhận ra hiệu ứng của hệ số công suất trên tỷ số. Chúng ta nhận thấy rằng chỉ cần ½ lượng đồng cho dây dẫn để truyền tải cùng 1 lượng công suất tại hệ số công suất đồng nhất chỉ cần 1/3 lượng đồng tại hệ số công suất và độ trễ 0.8 [8].
b, Có thể sử dụng nối đất
Trong trường hợp truyền tải HVDC, nối đất ( đặc biệt tiết diện của cáp ngầm) có thể được sử dụng, như là trong trường hợp của 1 dây dẫn 1 chiều đơn cực. Giống như là dây 1 chiều trong mạch lưỡng cực thì tin cậy hơn, hơn là dây dẫn xoay chiều tương ứng. Như trong trường hợp xảy ra lỗi trên 1 dây dẫn thì dây dẫn còn lại có thể tiếp tục hoạt động với công suất giảm nhờ nối đất. Đối với cùng 1 khoảng cách truyền tải thì trở kháng của bộ phận nối đất 1 chiều nhỏ hơn trở kháng của dòng xoay chiều tương ứng bởi vì dòng 1 chiều phân bố ở mức lớn hơn về độ rộng và độ sâu.
100
Trong thực tế, trường hợp của dòng 1 chiều, trở kháng nối đất hoàn toàn phụ thuộc vào trở kháng của cực nối đất nằm ở 2 đầu của dây dẫn, không phụ thuộc vào độ dài của đường dây. Tuy nhiên cần phải lưu ý rằng nối đất có những nhược điểm sau: dòng nối đất dẫn đến ăn mòn điện cực của kim loại trong đất hoặc gây cản trở hoạt động của đèn tín hiệu là bàn của tầu và có thể dẫn đến những nguy hiểm tiềm ẩn [8].
c, Kích thước cột điện nhỏ
Mức độ cách điện của dòng 1 chiều với cùng 1 công suất truyền tải thì nhỏ hơn dòng xoay chiều tương ứng và dòng 1 chiều chỉ cần 2 dây dẫn còn dòng xoay chiều cần 3 dây dẫn (nếu không phải 6 dây để thu được cùng 1 độ tin cậy) được dùng cho dòng xoay chiều. Xét đến cả về điện và cơ khí ta thu được kích thước cột điện nhỏ hơn.
d, Giá trị công suất biểu kiến của cáp cao hơn
Ngược lại với các đường dây dẫn trên không, trong các sự cố về cáp xảy ra bởi việc va chạm và không phải bởi sự phóng điện bề mặt bên ngoài thì vùng phân bố khả năng cách điện của cáp 1 chiều lớn hơn gấp 3 đến 4 lần dòng xoay chiều
e, Không có hiệu ứng bề mặt
Dưới điều kiện của dòng xoay chiều dòng điện không được phân bố đều trên mặt cắt ngang của dây dẫn. Mật độ dòng điện lớn hơn ở khu vực bên ngoài và kết quả thu được ít hơn mức độ sử dụng của tiết diện dây dẫn. Hiệu ứng bề mặt dưới những điều kiện của dòng 1 chiều liên tục thì hoàn toàn biến mất và có 1 dòng đồng nhất ở trong dây dẫn, kim loại làm dây dẫn của dòng 1 chiều tốt hơn dòng xoay chiều.
f, Ít vầng quang và nhiễu
Từ khi tổn thất vầng quang tăng lên và tần số (khoảng f+25), đối với cùng 1 kích thước của dây dẫn cho trước, điện áp cho trước thì tổn thất vầng quang ít hơn và dẫn đến 1 điều quan trọng là nhiễu ít hơn với dòng 1 chiều. Do những bó dây dẫn trở lên không cần thiết cho nên tiết kiệm về kinh tế ( các kiểm nghiệm cũng cho thấy các dây dẫn bị bó không cho thấy 1 lợi thế rõ rang đối với dòng 1 chiều như là
101
các hiệu ứng điện kháng thấp hơn). Những lợi ích của dòng xoay chiều không được đáp ứng cho dòng 1 chiều trong trường hợp này.
g, Không có vấn đề về tính ổn định
Các dây dẫn 1 chiều là những dây dẫn không đồng bộ và do đó bất kỳ đường xoay chiều nào cung cấp thông qua bộ chuyển đổi hoặc những thiết bị tạo ra dòng 1 chiều không cần đồng bộ với đường dây. Do đó khoảng cách của đường dẫn 1 chiều không bị giới hạn bởi tính ổn định.
Trong đường dẫn xoay chiều góc pha giữa điểm gửi cuối và điểm nhận cuối không quá 300tại thời điểm đủ tải để đạt được sự ổn định tạm thời (trạng thái ổn định về mặt lý thuyết có góc giới hạn 900)
Chú ý: θ = w√ mỗi km = (2π x 50)(3 x 105) rad/km (2 x 180 x 50)/(3 x 105) 0.060/km
Góc pha thay đổi tại thời điểm tải tự nhiên là 0.60 mỗi 10km
Độ dài lớn nhất cho phép mà không cần bù công suất
Với bù công suất độ dài có thể gấp đôi tới 1000km
h, Có thể kết nối không đồng bộ
Với đường dẫn xoay chiều liên kết giữa các hệ thống điện phải đồng bộ do đó dẫn đến các tần số khác nhau. Do vậy, những tần số khác nhau thì các hệ thống không được kết nối với nhau. Dẫn đến các hệ thống có thể dễ dàng liên kết với nhau thông qua đường dẫn HVDC.
Với những kết nối có tần số khác nhau tất cả các bộ biến đổi có thể được hạn chế ở cùng 1 trạm. Thêm vào đó những vùng công suất khác nhau có thể phải duy trì dung sai khác nhau đối với nguồn cấp của nó. Mặc dù ở cùng 1 tần số dòng xoay chiều không có lựa chọn này còn với dòng 1 chiều thì có thể sử dụng.
i, Mức độ ngắn mạch ít hơn
Khi hệ thống truyền tải xoay chiều được mở rộng, mức lỗi của toàn bộ hệ thống được tăng lên dẫn đến phải thay thế những thiết bị bảo vệ đắt tiền hơn (máy cắt, CB,…) để tương thích với mức độ lỗi cao hơn. Vấn đề này có thể khắc phục bằng HVDC vì nó không phải chịu dòng ngắn mạch như xoay chiều ở trên mức
102
dòng định mức. Trong thực tế nó hoàn toàn có khả năng kết hợp 1 dây xoay chiều song song 1 dây dẫn một chiều để giới hạn lỗi trong trường hợp mở rộng.
Trong trường hợp xảy ra lỗi trên dòng 1 chiều ngay sau thời điểm xả tụ dòng sẽ được giới hạn bởi các bộ biến đổi tự động dạng lưới. Ngoài ra dòng 1 chiều sẽ không lấy ra quá dòng từ hệ thống xoay chiều.
j, Dễ dàng kiểm soát công suất đường dẫn
Trong trường hợp của đường nối xoay chiều công suất không thể dễ dàng điều khiển giữa 2 hệ thống. Với 1 chiều thì sự điều khiển có thể dễ dàng thu được với sự điều khiển mạng lưới. Trong thực tế sự đảo chiều của dòng công suất rất dễ dàng.
5.2.2. Nhƣợc điểm khi sử dụng HVDC
a, Bộ biến đổi tốn kém
Những trạm chuyển đổi đắt tiền phải có tại mỗi đầu của truyền tải 1 chiều, trong khi đó chỉ cần 1 trạm biến áp đối với đường dẫn xoay chiều.
b, Yêu cầu với công suất phản kháng
Những bộ chuyển đổi đòi hỏi nhiều công suất phản kháng, ngay cả trong chỉnh lưu hoặc bộ nghịch lưu. Tại mỗi bộ chuyển đổi thì công suất phản kháng thu được có thể khoảng 50% của công suất định mức thực tế của đường dẫn 1 chiều. Yêu cầu với công suất phản kháng 1 phần được cung cấp bởi tụ lọc hoặc thu bởi tụ đồng bộ hoặc tụ tĩnh. Những tụ đấy cần thiết cho mục đích sử dụng này.
c, Sư phát sinh của sóng hài
Những bộ biến đổi tạo ra rất nhiều sóng hài cả ở 1 chiều và xoay chiều. Các bộ lọc sẽ được sử dụng trên xoay chiều để giảm sóng hài truyền tới hệ thống xoay chiều.
Trên hệ thống 1 chiều những quận kháng trơn sẽ được sử dụng. Thành phần này sẽ làm tăng giá thành của bộ biến đổi.
d, Khó khăn trong việc ngắt mạch
Do với một chiều thiếu dây trung tính nên sự ngắt mạch khó khăn hơn. Đây không phải là vấn đề chính trong hệ thống HVDC đơn. Việc ngắt mạch có thể thực
103
hiện được bằng cách hấp thụ 1 cách nhanh chóng năng lượng trở lại hệ thống xoay chiều (hoạt động ngắt mạch được thực hiện bằng Thysistor nhanh hơn ngắt mạch cơ tuy nhiên sự thiếu bộ ngắt mạch ở HVDC lại cản trở hoạt động nhiều thiết bị đầu cuối.
e, Khó khăn trong việc biến đổi điện áp
Công suất thu được ở dưới điện áp thấp nhưng vì lý do hiệu quả nó lại phải được truyền ở điện áp cao. Sự thiếu hụt của đẳng trị của máy biến áp 1 chiều dẫn đến sự cần thiết biến đổi điện áp để thực hiện trên hệ thống xoay chiều và ngăn chặn hoàn toàn việc sử dụng duy nhất hệ thống 1 chiều.
f, Khó khăn trong việc sinh ra công suất cao
Do các vấn đề trong việc chuyển mạch với máy móc 1 chiều: điện áp, tốc độ và kích thước bị hạn chế. Do vậy, chỉ có thể tạo ra công suất thấp với dòng 1 chiều.
g, Thiếu sự quá tải công suất
Bộ chuyển đổi có quá tải công suất ít không giống như các trạm biến áp.
5.3. So sánh về kinh tế
Các hệ thống HVDC có chi phí thấp hơn trên mỗi đơn vị chiều dài so với các hệ thống xoay chiều bởi vì do số lượng dây dẫn ít, kích thước cột điện nhỏ hơn. Tuy nhiên hệ thống 1 chiều cần 2 trạm biến đổi đắt tiền gấp 3 đến 4 lần trạm biến áp tương ứng của dòng xoay chiều. Do đó truyền tải HVDC thì không áp dụng cho truyền tải ngắn (do thiếu kinh tế) trừ khi dùng cho những trường hợp đặc biệt.
Chúng ta xét đến khoảng cách tối thiểu để cạnh tranh giữa HVDC và dòng xoay chiều về chi phí.
Tính toán cho khoảng cách truyền tải trên không là 500km với 1 biến đổi lớn về giá phụ thuộc vào độ lớn của công suất chuyển đổi và giá trị của dây dẫn và thiết bị. Các chi phí này đang được giảm đi với các tiến bộ đạt được trong việc phát triển các bộ chuyển đổi.
104
Hình 5.1: Đồ thị khoảng cách hòa vốn đối với truyền tải 1 chiều
Hình 5.1 cho thấy sự so sánh giữa giá của đường đẫn 1 chiều và đường dẫn xoay chiều với khoảng cách, giả sử biến thiên về giá khoảng ±5% với đường dẫn xoay chiều và thay đổi khoảng ±10% với đường dẫn 1 chiều.
Với những cáp này biên độ hòa vốn nhỏ hơn so với đường dây trên không và 25km đối với cáp ngầm dưới biển, 50km với cáp ngầm trong đất [3].
5.4. Công suất và khoảng cách truyền tải
Chi phí đầu tư cho hệ thống truyền tải điện chịu sự ảnh hưởng chính của 2 khía cạnh: điện và cơ khí. Cả hai yếu tố này có mối quan hệ mật thiết, quyết định đến thiết kế hệ thống truyền tải.
Trong phần điện, công suất truyền tải sẽ quyết định đến sự lựa chọn điện áp, số mạch đường dây, hay nói cách khác, ảnh hưởng rất lớn đến chi phí đầu tư. Ngoài ra còn có các yếu tố điện khác là công suất tải sự cố, bù công suất phản kháng của đường dây xoay chiều.
Tổn thất công suất ảnh hưởng lớn đến chi phí vận hành, do đó, thường được tối ưu hóa khi lựa chọn tiết diện dây dẫn trong một cấp điện áp truyền tải cho trước. Thiết kế cách điện được xác định bởi cấp điện áp truyền tải, các quy định về khoảng cách an toàn, điều kiện môi trường khí hậu và chất lượng vật liệu cách điện. Cấp cách điện ảnh hưởng chính đến chi phí đầu tư cho xây dựng cột điện.
105
Hiện tượng phóng điện vầng quang ảnh hưởng chính đến cấu trúc phân pha của dây dẫn, do đó liên quan đến thiết kế chịu lực của cột (trọng lượng dây dẫn, tải trọng gió, băng tuyết). Ngoài ra, bất kỳ những quy định, ràng buộc nào về cường độ điện trường tại mặt đất cũng ảnh hưởng đến thiết kế cột, vị trí các pha và chi phí giải tỏa, đền bù cho hành lang tuyến.
Tóm lại, đối với với phần cơ khí, chi phí đầu tư cho cột điện, cách điện và dây dẫn phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc phân pha của dây dẫn trong điều khiện môi trường nhất định.
Công suất truyền tải:
Công suất truyền tải của đường dây siêu cao áp xoay chiều bị giới hạn bởi sự tiêu thụ công suất phản kháng của điện cảm đường dây. Khi công suất tải lớn hơn công suất tự nhiên, công suất cảm kháng của đường dây sẽ vượt quá công suất dung kháng phát ra bởi điện dung đường dây. Người ta thường lắp thêm các bộ tụ bù dọc đường dây để tăng khả năng tải lên tới 150-200% công suất tự nhiên của đường dây.Trong khi đó, đối với đường dây siêu cao áp 1 chiều, công suất truyền tải bị giới hạn chủ yếu bởi nhiệt độ cho phép dây dẫn trong điều kiện vận hành bình thường.
Công suất giới hạn về nhiệt thường không quyết định tới công suất tải cho các đường dây dài siêu cao áp xoay chiều, mà chủ yếu là do giới hạn về sự tiêu thụcông suất phản kháng. Công suất tải sự cố phụ thuộc vào nhiệt độ cho phép của dây dẫn và các ràng buộc về công suất phản kháng. Yêu cầu về công suất tải sự cố được quyết định bởi số mạch song song.
Trong khi đó, đối với đường dây siêu cao áp 1 chiều, công suất truyền tải bị giới hạn chủ yếu bởi nhiệt độ cho phép dây dẫn trong điều kiện vận hành bình thường. Công suất tải sự cố cũng được quyết định bởi số mạch và nhiệt độ cho phép của đường dây trong trường hợp vận hành sự cố.
Như vậy, trên quan điểm công suất truyền tải, khi so sánh giữa truyền tải siêu cao áp 1 chiều và xoay chiều, truyền tải 1 chiều chỉ bị giới hạn chính bởi công suất nhiệt do không có công suất phản kháng trên đường dây truyền tải [3].
106 Xác định số mạch đường dây truyền tải:
Về cơ bản, số mạch đường dây truyền tải được xác định bởi công suất và điện áp truyền tải. Bảng 5.1 mô tả yêu cầu về số mạch truyền tải đối với lượng công suất 8 GW và 12 GW:
Bảng 5.1: So sánh về số mạch truyền tải đối với lượng công suất 8 GW và 12 GW
* Nguồn: Standard Handbook for Electrical Engineers, Fink, Donal G.- McGrawHill Pro. Publishing, 2006, page1048.
Số mạch đường dây truyền tải phụ thuộc các yếu tố sau:
- Vận hành sự cố: thường được xác định theo tiêu chí N-1, khi một đường dây siêu cao áp xoay chiều hoặc 1 chiều không làm việc.