3.2.1. Kết nối đơn cực
Hệ thống này dùng một dây dẫn thường sử dụng cực tính âm. Đường trở về có thể dùng nước hoặc đất như hình 3.2:
46
Hình 3.2: Kết nối đơn cực
3.2.2. Kết nối hai cực đồng nhất
Kết cấu hai cực đồng nhất bao gồm hai hay nhiều đường dẫn cùng cực tính thường là cực âm để giảm nhiễu do vầng quang trên đường dây DC, cực dương nối vào hệ thống nối đất mà không cần đường dẫn riêng như hình 3.3:
Hình 3.3: Kết nối hai cực đồng nhất
Mặc dù kết cấu này có ưu điểm là giảm chi phí lắp đặt nhưng dòng qua đất lớn nên đường dây không được quá dài thường được sử dụng cho các trạm tập trung (back to back)
3.2.3. Kết nối hai cực ngƣợc
Kết nối này có hai dây một dương và một âm. Mỗi đầu đều có bộ biến đổi điện áp định mức mắc nối tiếp về phía 1 chiều như hình 3.4:
47
3.3. Cấu tạo của hệ thống HVDC
Hình 3.5: Cấu trúc hệ thống HVDC
Quan sát hình 3.5 ta thấy một hệ thống truyền tải HVDC bao gồm các thiết bị chính sau: - Trạm biến áp - Bộ biến đổi - Bộ lọc xoay chiều - Bộ lọc một chiều - Cuôn san dòng
- Đường dây truyền tải một chiều - Nguồn phản kháng
- Hệ thống bảo vệ và điều khiển
3.3.1. Trạm biến áp
Máy biến áp có thể có các cấu hình khác nhau, thông thường là loại 3 pha hay tổ hợp 3 máy biến áp 1 pha. Phía thứ cấp nối hình sao và tam giác còn phía sơ cấp máy biến áp nối sao được liên kết song song.
Máy biến áp sử dụng cho bộ biến đối có khe hở cách điện giữa cuộn dòng và gông từ lớn hơn máy biến áp thông thường, được thiết kế chịu điện áp 1 chiều và tổn hao dòng xoay chiều do từ thông chứa nhiều sóng hài làm nóng dầu máy biến áp
48
và gây nhiễu. Khi vận hành các pha không làm việc đồng thời mà luân phiên nhau theo sự làm việc các cực dương của bộ biến đổi, như vậy máy biến áp luôn làm việc trong trạng thái không đối xứng nên chọn sơ đồ nối dây sao cho đảm bảo được điều kiện từ hóa bình thường của trụ lõi thép và giảm thiểu được sự đập mạch của điện áp và dòng điện chỉnh lưu. Điều áp dưới tải của máy biến áp tác động khi điện áp xoay chiều thay đổi, góp phần làm giảm công suất phản kháng cung cấp cho bộ biến đổi [6].
Đánh giá trạm biến áp:
√ . (3.1)
Trong đó:
IdN: Dòng 1 chiều danh nghĩa
: Biến áp van (chỉnh lưu)
√ . (3.2)
Trong đó: : Biến áp van (nghịch lưu)
3.3.2. Bộ biến đổi
Trạm chuyển đổi một chiều là bộ chuyển đổi Thyristor, thường được đặt trong nhà. Các thành phần khác của một trạm chuyển đổi AC – DC (hoặc DC – AC) được thể hiện trong hình sau:
49
Hình 3.6: Cấu hình cơ bản trạm chuyển đổi AC – DC
Trong cấu hình trạm như hình 3.6 phía đầu ra một chiều gồm 2 cực (bipole), dòng về qua đất. Ở chế độ bình thường, dòng 2 cực bằng nhau, dòng qua đất là tổng hợp của 2 dòng bằng nhau, ngược chiều nên bị triệt tiêu. Trong một số trường hợp (ví dụ sự cố 1 mạch), trạm chỉ có một cực phía DC (monopole), dòng về có thể qua đất hoặc sử dụng đường riêng ( có thể dùng vỏ cáp bọc kim loại).
3.3.3. Bộ lọc xoay chiều
3.3.3.1 Tiêu chí thiết kế Bộ lọc công suất phản kháng cho AC yêu cầu
Ở phía xoay chiều của bộ biến đổi sóng hài được sinh ra, các sóng hài bậc 11, 13, 23, 25,...ngoài tác hại như gây nhiễu tín hiệu thông tin còn gây tổn thất, méo dạng điện áp, làm phát nóng thiết bị,...Do đó các bộ lọc được lắp thêm nhằm mục đích hạn chế sóng hài tới mức độ mà lưới điện có thể chấp nhận. Bộ lọc có thể sử dụng các phần tử thụ động L - C, trong tương lai các bộ lọc xoay chiều tích cực sẽ được áp dụng. Trong quá trình làm việc, bộ biến đổi tiêu thụ một lượng khá lớn công suất phản kháng, lượng công suất phản kháng này được bù một phần bởi các nhóm bộ lọc và phần còn lại bởi nhóm tụ điện.
50
Việc tiêu thụ công suất phản kháng của một bộ chuyển đổi HVDC phụ thuộc vào công suất hoạt động, điện kháng biến áp và các góc điều khiển. Một yêu cầu chung cho một trạm biến đổi là bù toàn bộ hoặc bù tại tải định mức. Những yếu tố này sẽ xác định kích thước và số lượng các bộ lọc và tụ bù.
3.3.3.2. Các yêu cầu thực hiện đối với sóng hài
Trạm biến đổi HVDC tạo ra các dòng hài đặc trưng và không đặc trưng. Đối với một bộ chuyển đổi mười hai xung, những sóng hài đặc trưng n = (12 * k) ± 1 (k = 1,2,3 ...). Đây là những thành phần sóng hài được tạo ra ngay cả trong điều kiện lý tưởng, nghĩa là làm mịn của dòng điện một chiều, điện áp AC đối xứng, trở kháng biến áp và góc kích..
Một mạch tương đương để xác định hiệu suất hài được đưa ra trong hình 3.7. Các tiêu chí phổ biến nhất được sử dụng có liên quan đến sóng hài điện áp trên thanh cái trạm biến đổi. Mục đích của mạch lọc là để cung cấp trở kháng đủ thấp cho các thành phần có liên quan để giảm sóng hài điện áp đến mức có thể chấp nhận được.
Hình 3.7: Mạch tương đương để tính sóng hài điện áp và dòng điện trong hệ thống AC
Một tiêu chí thường được sử dụng cho tất cả các thành phần sóng hài lên đến thứ tự thứ 49 như sau:
Dn là các hài điện áp riêng lẻ biến dạng của thứ tự n Dn phần trăm của các thanh cái điện áp AC cơ bản (giới hạn điển hình 1%)
Tổng hình học của méo Drms điện áp riêng kẻ Dn (giới hạn điển hình 2%) Các sản phẩm CNTT là một tiêu chuẩn để hiện sóng hài vào đường dây trên không AC. Các tiêu chí dựa trên sự giao thoa điện thoại là trong nhiều trường hợp
51
không thích hợp, bởi vì hệ thống điện thoại kỹ thuật số hiện đại là không nhạy cảm với sự can thiệp này [8].
3.3.3.3. Yêu cầu để xếp hạng tính toán trạng thái ổn định
Điện áp và dòng điện của bộ lọc AC bao gồm các tần số cơ bản và các thành phần hài. Độ lớn của chúng phụ thuộc vào hệ thống điện áp AC, dòng điều hòa, điều kiện hoạt động và trở kháng hệ thống AC. Các tính toán được thực hiện trong phạm vi toàn bộ hoạt động để xác định những ứng suất dòng điện và điện áp ổn định cao nhất cho mỗi thành phần bộ lọc riêng biệt.
Bài toán tạm thời
Mục tiêu của việc tính toán tạm thời là để xác định những quá độ cao nhất cho mỗi thành phần của sự sắp xếp bộ lọc thiết kế. Kết quả của việc tính toán nên có các điện áp, dòng điện cho mỗi thành phần, nhiệm vụ năng lượng cho điện trở bộ lọc và bộ hãm, và mức độ cách nhiệt cho mỗi thành phần bộ lọc. Để tính toán ứng suất cao nhất của cả hai và chuyển đổi loại tăng, cấu hình mạch khác nhau và các trường hợp lỗi cần được nghiên cứu:
• Chạm đất 1 pha
Các lỗi được áp dụng trên đường dẫn bộ chuyển đổi AC bên cạnh các bộ lọc AC. Người ta cho rằng các tụ lọc được tính vào mức điện áp tương ứng cho chuyển đổi mức độ bảo vệ xung của đường dẫn AC.
• Chuyển mạch sóng
Đối với việc tính toán chuyển đổi gia tăng ứng suất, một sóng tiêu chuẩn 250/2500 ms với một giá trị đỉnh bằng với chuyển đổi mức độ bảo vệ xung của đường dẫn AC được áp dụng tại đường dẫn trạm chuyển đổi AC.
• Lọc khi cấp điện
Các bộ lọc AC được giả định là cấp năng lượng tại thời điểm cho tối đa điện áp AC nguồn giờ cao điểm. Trường hợp này quyết định cho các dòng xâm nhập của các bộ lọc AC.
52
Thông số lỗi pha khác nhau nên được điều tra để xác định ứng suất năng lượng tối đa cho bộ hãm lọc AC và điện trở. Các trường hợp xấu nhất đạt được nếu chuyển đổi HVDC bị chặn sau khi bắt đầu có lỗi, trong khi các bộ lọc AC duy trì kết nối với đường dẫn AC sau khi thanh toán bù trừ lỗi và phục hồi của hệ thống điện áp AC. Trong trường hợp này, một quá áp tạm thời với nội dung cao của sóng hài không đặc trưng sẽ xảy ra tại đường dẫn trạm AC do ảnh hưởng của từ chối tải, độ bão hòa và biến áp cộng hưởng giữa bộ lọc và mạng lưới AC ở tần số thấp [8].
3.3.4. Bộ lọc một chiều
Ở phía một chiều bộ biến đổi sinh ra các sóng hài bậc 12, 24,... các sóng hài như vậy có thể tạo ra nhiễu trong các hệ thống viễn thông. Do đó các bộ lọc một chiều được thiết kế đặc biệt được sử dụng nhằm mục đích giảm mức độ gây nhiễu. Thông thường các bộ lọc một chiều không cần thiết nên sử dụng cáp để truyền tải. Nhưng trong trường hợp đường dây trên không thì việc lắp đặt một bộ lọc 1 chiều là cần thiết. Thông thường các bộ lọc phía 1 chiều có giá thành thấp hơn bộ lọc phía xoay chiều
3.3.4.1. Tiêu chuẩn thiết kế cho mạch lọc DC
Các nhiễu điện áp gây ra trên đường dây điện thoại được đặc trưng bởi phương trình sau:
√∑ (3.3)
(3.4)
Trong đó:
- : Sự giao thoa điện áp trên đường dây điện thoại tại điểm x (trong mV / km) - : Hệ số phụ thuộc tần số của các khớp nối giữa các đường dây điện thoại và HVDC
- : Hệ số gia trọng
- : Dòng hài của số thứ tự μ trong HVDC tại điểm x là vector tổng của các dòng gây ra bởi 2 trạm HVDC
53
- Z: trở kháng tương hỗ giữa điện thoại và đường dây HVDC
Kết hợp tất cả các sóng hài dòng điện để có dòng nhiễu duy nhất. Liên quan đến nhiễu qua điện thoại, nó tương ứng với tổng của tất cả các hài dòng điện. Nó cũng bao gồm các yếu tố xác định từ giữa các dòng HVDC và đường dây điện thoại:
• Chế độ hoạt động của hệ thống HVDC (lưỡng cực hay đơn cực với kim loại hoặc trở lại đất)
• Kháng đất cụ thể tại điểm x cường độ dòng giao thoa phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện hoạt động của HVDC. Trong hoạt động đơn cực, nhiễu điện thoại mạnh hơn trong hoạt động lưỡng cực đáng kể.
3.3.4.2. Hoạt động của bộ lọc sóng hài
Bộ lọc hoạt động có thể là một bổ sung cho bộ lọc thụ động do hiệu suất vượt trội của mình. Chúng có thể được cài đặt trên phía DC hoặc ở phía bên AC của bộ chuyển đổi. Kết nối với hệ thống điện cao áp được thực hiện bằng phương tiện của một bộ lọc thụ động, tạo thành một cái gọi là bộ lọc lai. Sự sắp xếp này làm hạn chế mức điện áp trên một phần hoạt động, do đó, xếp hạng trang thiết bị tương đối thấp có thể được sử dụng. Thiết kế phù hợp cho phép khai thác các đặc tính tích cực của cả hai bộ lọc thụ động và chủ động. Ngoài ra, phần thụ động có thể được sử dụng như một bộ lọc thụ động thông thường nếu phần hoạt động được bỏ qua cho mục đích bảo trì.
Quan sát hình 3.8 ta thấy các thành phần chính: 1. Bộ chuyển đổi IGBT
2. Tính cảm ứng của cuộn kháng thích nghi
3. Thyristor chuyển đổi cho chuyển đổi điện áp và bảo vệ quá dòng 4. Trạm biến áp
5. Bộ lọc thông thấp
6. Núm ngắt điện chân không 7. Zn0 chống sét
54
9. Nhánh LC để làm sai lệch các thành phần 50 Hz
Hình 3.8: Sơ đồ của bộ lọc lọc sóng hài AC một nguồn.
Bộ lọc cho các ứng dụng AC bao gồm ba hệ thống một pha điều khiển bởi một hệ thống điều khiển kỹ thuật số thông thường. Một sự khác biệt lớn nhất là việc đo lường: thay vì đo dòng hiện tại, các bộ lọc hoạt động và loại bỏ các sóng hài tại 400 kV của thanh cái AC. Điều này có lợi thế mà việc kiểm soát điều hòa đòi hỏi chỉ là một điểm đo, so với một chương trình đo dòng điện, mà sẽ yêu cầu để đo dòng tại một số điểm và kết hợp các tín hiệu đo. Một thuận lợi khác là các bộ lọc tích cực hoạt động giống như một bộ lọc thụ động lý tưởng. Hình 3.9 cho thấy các bộ lọc cài đặt hoạt động AC (trong container) tại trạm biến áp.
Hình 3.9: Sơ đồ khối nguyên lý của điều khiển sóng hài
Một bộ điều khiển sóng hài dành riêng cho từng hài chọn để loại bỏ do tác động của các bộ lọc tích cực. Trong các bộ kiểm soát sóng hài, hài đặc biệt là cô lập và thể hiện bởi một tín hiệu phức tạp trong miền tần số.
55
Điều này được thực hiện thông qua phép nhân bởi (hωt) và cos (hωt), trong đó h là thứ tự của các hài, ω mạng tần số góc và t thời gian. Hai tín hiệu trực giao được tạo ra bởi một module đồng bộ của các thành phần của bộ lọc.
Quá trình này là cơ bản tuyến tính, để tất cả các bộ điều khiển sóng hài có thể hoạt động đồng thời và tổng của tất cả các kết quả đầu ra bộ điều khiển cho dạng sóng theo yêu cầu của các bộ lọc tích cực. Tín hiệu này sau đó được truyền tới các module điều khiển IGBT, trong đó bao gồm một bộ điều biến độ rộng xung bên cạnh chức năng cho sự bảo vệ và giám sát của công cụ chuyển đổi chuyên nghiệp[8].
3.3.5. Cuộn san dòng
3.3.5.1 Chức năng của cuộn san dòng
Cuộn san dòng được mắc nối tiếp với mạch biến đổi. Chức năng chính của cuộn san dòng là:
- Giảm sóng hài dòng điện trên đường dây truyền tải một chiều
- Giảm thiểu những rủi ro chuyển mạch do dòng một chiều, tăng quá giới hạn thoáng qua tại các hệ thống xoay chiều và một chiều.
- Phòng chống cộng hưởng trong mạch điện DC - Giảm dòng hài bao gồm cả giới hạn của nhiễu
3.3.5.2 Định kích thước của cuộn san dòng
Trong khi đánh giá dòng điện và điện áp của cuộn san dòng có thể được xác định dựa trên các dữ liệu của các mạch DC, điện cảm là yếu tố quyết định trong việc xác định trở kháng. Kích thước của các cuộn san dòng thường được chọn trong khoảng 100-300 mH cho khoảng cách DC và 30 đến 80 mH cho trạm back-to-back.
3.3.5.3 Bố trí các cuộn san dòng
Trong một hệ thống truyền dẫn đường dài HVDC, có vẻ như khá hợp lý rằng các cuộn kháng san dòng sẽ được nối tiếp với dòng DC. Đây là sự sắp xếp bình thường. Tuy nhiên, trong đề án back-to-back, điện kháng san dòng cũng có thể được kết nối với thiết bị đầu cuối điện áp thấp.
56
3.3.5.4 Thiết kế cuộn san dòng
Về cơ bản có hai loại thiết kế trở kháng: • Cuộn kháng khô loại khí cách nhiệt
• Cuộn kháng dầu cách điện trong một bể chứa Các loại trở kháng nên được lựa chọn theo các tiêu chí sau:
• Điện cảm • Chi phí
• Bảo trì và vị trí của các đơn vị phụ tùng • Các yêu cầu địa chấn
3.3.6. Van Thysistor
Việc sử dụng công nghệ mới này làm giảm số lượng của các thành phần trong các van thyristor lên đến 80%. Đơn giản hóa này làm tăng độ tin cậy và tính sẵn sàng của hệ thống truyền tải.
Với công nghệ LTT, các xung ánh sáng được truyền qua một sợi cáp quang thông qua các thyristor đến thyristor và do đó không có các mạch điện tử phức tạp và nguồn cung cấp năng lượng phụ trợ là cần thiết.
Trong trường hợp của thyristor được kích hoạt bằng điện (ETT), điều này chỉ có thể nếu đủ năng lượng điều khiển được lưu trữ đủ lâu trên mạch cầu xung cho thyristor. Thyristor quang trực tiếp với bảo vệ quá áp (LTT) bây giờ là một công