TRUYỀ N TẢI HVDC 1. INTRODUCTION Truyền tải cao áp một chiều (HVDC) đượ c công nhận r ộng rãi là thuận lợ i cho đườ ng ng dài, chuyển giao số lượ ng ng l ớn năng lượ ng, ng, k ết n ối không đồng b ộ, cáp xuyên biển vớ i khoảng cách dài. Đườ ng ng dây HVDC và cáp ít t ốn kém và có tổn thất thấp hơn so vớ i truyền tải ba pha AC. Đường dây HVDC điể n hình sử dụng một cấu hình lưỡ ng ng cực v ớ i hai cực độc lậ p và có thể đượ c so sánh với đườ ng ng dây mạch đôi xoay chiều. Do liên k ết HVDC có khả năng điều khiển, chúng có th ể cung cấ p công su ất ổn định không bị giớ i h ạn bở i tắc nghẽn mạng hoặc loop trên những đườ ng ng dây song song. So vớ i truyền tải AC, truyền t ải HVDC có th ể truyền tải công suất cao hơn trên mộ t khoảng cách dài hơn với ít đườ ng ng dây và cáp hơn. Hệ thống HVDC đã trở thành thực tế và khả năng thương mạ i vớ i sự ra đờ i của van hồ quang thủy ngân điện áp cao trong những năm 1950. Van thyristor rắn đã đượ c giớ i thiệu trong những năm 1960 cuối năm dẫn đến thiết k ế chuyển đổi đơn giản vớ i chi phí hoạt động và bảo trì thấp hơn và cải thiện tính sẵn sàng. Vào cuối năm 1990 của một số công nghệ chuyển đổi mới đã đượ c gi ớ i thiệu cho phép sử dụng r ộng rãi truyền tải HVDC trong các ứng dụng mà có thể không đượ c nếu không đượ c xem xét. 2. APPLICATIONS Sự gia tăng những lý do sau:
đáng kể truyền tải HVDC có thể là do một hoặc nhiều hơn
2.1 Kinh tế Hệ thống truyền tải HVDC để truyền tải cho đườ ng ng dài thườ ng ng đượ c chọn do kinh tế hơn so vớ i điện xoay chiều, chuyển giao số lượ ng ng lớn năng lượ ng ng từ các nguồn tài nguyên xa như phát triển thủy điện, nhà máy điệ n tại mỏ (mỏ than …) hoặc máy phát gió quy mô l ớ n. n. Bất cứ khi nào truyền dẫn khoảng cách dài đượ c thảo lu ận, khái niệm “khoảng cách hòa vốn” thường xuyên phát sinh. Đây là điể m mà các khoản tiết kiệm trong chi phí đườ ng ng dây và chi phí v ốn do các tổn hao thấ p hơn bù đắ p l ại chi phí cho tr ạm biến đổi cao hơn. Tuyến HVDC lưỡ ng ng c ực ch ỉ sử dụng hai bộ cách điện cho dây dẫn chứ không phải là ba như trong AC . K ết quả là tháp truyền dẫn nhỏ hơn có hàng hẹp hơn và tổn hao thấp hơn so với dòng điệ n
xoay chiều công suất tương đương. Ướ c các khoản tiết kiệm trong xây dựng đườ ng dây là 30%. Mặc dù khoảng cách hòa vốn bị ảnh hưở ng bở i chi phí về xây dựng đườ ng dây và quyền ưu tiên vớ i giá tr ị tiêu biểu của 500 km, khái niệm tự nó bị nhầm lẫn bở i vì trong nhiều trườ ng hợ p nhiều đườ ng dây xoay chiều là cần thiết để cung cấ p cùng công suất trong cùng một khoảng cách do ổn định hạn chế của hệ thống. Hơn nữa, đườ ng dây xoay chiều khoảng cách dài thườ ng yêu cầu các tr ạm trung chuyển và bù công suất phản kháng. Ví dụ, đầu ra của các máy phát điện truyền tải thay thế cho dự án Square Butte ± 250 kV, 500 MW là hai đườ ng dây tải điện xoay chiều 345 kV bù nối tiế p. Tương tự, Dự án Intermountain Power (IPP) ± 500 kV, 1600 MW AC thay thế bao gồm hai đườ ng dây 500 kV xoay chiều. Dự án IPP lợ i dụng tính chất mạch kép của dòng lưỡ ng cực và bao gồm một đơn cực liên tục quá tải 100% ngắn hạn và 50%. 6000 MW giai đoạn đầu tiên của dự án truyền tải cho dự án Tam Hiệ p ở Trung Quốc s ẽ có yêu cầu 5 x 500 kV ac đối ngượ c vớ i 2 x ± 500 kV, 3.000 MW đườ ng dây HVDC lưỡ ng cực .
Đối v ớ i h ệ thống cáp ngầm dưới đất hoặc ngầm dướ i biển tiết kiệm đáng kể chi phí lắp đặt cáp và chi phí t ổn thất truyền tải vớ i HVDC. Tùy thuộc vào mức năng lượng đượ c truyền đi, các khoản tiết kiệm có thể bù đắ p chi phí tr ạm biến đổi cao hơn ở khoảng cách 40 km hoặc hơn. Hơn nữa, có sự sút giảm nhanh trong năng lực cáp vớ i truyền t ải ac quá khoảng cách do các thành phần phản kháng của dòng điện nạ p. Mặc dù điều này có thể được bù đắ p bằng bù ngang trung gian cho cáp ngầm nhưng không thực tế để làm như vậy cho cáp ngầm dướ i biển. Đối vớ i
một diện tích dẫn cáp, tổn thất đườ ng dây vớ i cáp HVDC có th ể được ít hơn một nửa so vớ i các loại cáp AC. Điều này là do sử dụng nhiều dây dẫn, phần phản kháng của dòng điện, hiệu ứng bề mặt và dòng gây ra trong v ỏ cáp và áo giáp. Functional
Năng lực ki ểm soát và bản ch ất không đồng b ộ của truyền HVDC cung cấ p một số lợ i thế nhất định cho các ứng dụng truyền tải. Khả năng truyền tải HVDC là bền v ững và thườ ng s ử dụng chạy cao hơn do khả năng kiểm soát của mình. Điều này là do sự tắc nghẽn hoặc dòng chảy vòng lặp trên đườ ng truyền song song không làm cho phải cắt giảm k ế hoạch để giảm tải. Vớ i hệ thống cáp, tải tr ọng đối xứng hoặc nguy cơ quá tả i sau biến cố bất thườ ng là k ết quả trong việc sử dụng k ết nối nối tiế p máy biến áp dịch pha. Những vấn đề này không tồn tại vớ i một hệ thống cáp HVDC có kiểm soát. Vớ i h ệ thống truyền t ải HVDC, các mối liên k ết có thể đượ c thực hi ện gi ữa các mạng không đồng bộ hoạt động đáng tin cậy và kinh tế hơn. Các kết nối không đồng bộ cho phép các mối liên k ết cùng có lợ i mà còn cung cấ p một vùng đệm giữa hai hệ thống. Thườ ng thì những mối liên k ết s ử dụng bộ chuyển đổi back-to back không có đườ ng dây truyền tải. Các liên k ết không đồng bộ hoạt động như một "bức tườ ng lửa" hiệu quả đối vớ i công tác ngăn chặn sự cố lan trong một mạng qua mạng khác. Nhiều liên k ết không đồng bộ tồn tại ở Bắc Mỹ giữa hệ thống k ết nối phía đông và phía Tây, giữa Electric Reliability Council of Texas (ERCOT) và các bang lân cận, tức là, Mexico, Southwest Power Pool (SPP) và các k ết nối phía Tây, và giữa Quebec và vùng k ế cận như là New England và Maritimes. Tháng 8 năm 2003 mất điện cung cấ p v ề phía đông bắc là một ví dụ về "bức tườ ng l ửa" chống lại s ự cố điện lan tỏa do đượ c cung cấ p bở i các mối liên k ết không đồng bộ. Khi cúp lan ra xung quanh khu vực Great Lakes và thông qua Ontario và New York nó d ừng lại ở giao diện không đồng bộ vớ i Quebec. Quebec là không bị ảnh hưở ng, các mối liên k ết yếu AC giữa New York và New England nhả ra nhưng các liên kết HVDC từ Quebec tiế p tục cung cấp năng lượ ng cho New England. 2.2 Về môi trườ ng HVDC cho phép cung cấ p công suất cao hơn vớ i ít đường đây khoảng cách hàng hẹp hơn. Điều này đặ c biệt quan tr ọng trong cố gắng
hơn và để khai
thác tài nguyên đa dạ ng ở các địa điểm xa, nơi đườ ng dây có thể đi qua khu vực nhạy cảm về môi trườ ng hoặc danh lam thắng c ảnh. Không có cảm ứng điện ho ặc điện từ trườ ng thay đổi từ đườ ng truyền HVDC. Không có hạn chế vật lý về giớ i hạn khoảng cách cho các loại cáp ngầm. Cáp ngầm có thể đượ c sử dụng trên tuyến chia sẻ vớ i các công ty tiện ích khác mà không ảnh hưởng đến đọ tin cậy liên quan đến s ử dụng hành lang chung. Tổn hao cáp thấp hơn cải thiện hi ệu qu ả và k ết quả là ít nung nóng trong đất hơn.
HVDC qui ướ c Sơ đồ truyền tải HVDC thông thườ ng sử dụng line-commutated, biến đổi nguồn dòng. Bộ chuyển đổi như vậy đòi hỏ i một nguồn điện áp đồ ng bộ để hoạt động. Các khối xây dựng cơ bản đượ c dùng để chuyển đổi HVDC là ba pha, cầu toàn sóng đượ c g ọi là cầu 6 xung hoặc c ầu Graetz. Thuật ng ữ 6 xung là do sự đặc trưng các gợ n sóng hài trong điện áp đầ u ra DC đó là bội số của 6 lần so vớ i tần số cơ bản. Mỗi cầu 6 xung bao gồm 6 linh kiện chuyển đổi kiểm soát hoặc các van thyristor. Mỗi van bao gồm một s ố thyristor k ết n ối n ối ti ế p để đạt đượ c mức điện áp DC mong muốn. Đầu cuối dc của hai cầu 6 xung vớ i nguồn điện áp ac pha thay đổi 30 độ có thể đượ c k ết nối nối tiế p khi hoạt động 12-xung. Trong hoạt động 12-xung đặc tính hài dòng và áp có tần s ố tương ứng 12N ± 1 và 12N. Chuyển pha 30 độ có thể dễ dàng đạt đượ c bằng cách đấu nối một cầu qua cuộn thứ cấ p một biến áp đấu Y và ở cầu còn lại đấu cuộn thứ cấ p của biến áp đấu tam giác. Sơ đồ truyền tải HVDC hiện đại nhất sử dụng bộ chuyển đổi 12-xung để giảm các yêu cầu lọc các hài bổ sung cần thiết cho hoạt động 6 xung, ví dụ như hài bậc 5, 7 ở phía ac và bậc 6 ở bên DC. Điề u này là bở i vì mặc dù các dòng điề u hòa vẫ n chả y qua các van và các cuộn dây biế n áp, chúng có góc pha 180 độ và bị loại bỏ t ừ phía sơ cấ p.
A 12-pulse HVDC converter using thyristor valves
3.1 Cấu hình hệ thống và mô hình hoạt động Hệ thống đơn cực có nối đất là hệ thống đơn giản và ít tốn kém để chuyển tải công suất vừa phải vì chỉ có hai bộ chuyển đổi và đượ c yêu cầu một cáp cách điện hoặc dây dẫn. Hệ thống như vậy thường đượ c sử dụng vớ i điện cực đườ ng dây có điện áp thấp và điện c ực là biển để mang dòng điện tr ở lại trong cáp ngầm xuyên biển.
Ở một số vùng có điều kiện không thuận lợi cho đất đơn cự c hoặc đườ ng tr ở lại từ biển. Đây có thể là trườ ng hợ p những vùng trong khu vực bị tắc nghẽn, cáp ngầm qua vùng nướ c ngọt hoặc các khu vực vớ i điện tr ở đất cao. Trong trườ ng hợ p này cáp điện kim loại trung tính hoặc điện áp thấp đượ c sử dụng cho đườ ng tr ở lại và mạch dc sử dụng tham chiếu mặt đất địa phương đơn giả n. Tr ạm back-to-back đượ c sử dụng cho k ết nối mạng không đồng bộ và sử dụng dòng điện xoay chiều để k ết nối hai bên. Trong hệ thống như vậy chuyển tải công suất bị hạn chế bởi năng lực tương đố i của các hệ thống ac liền k ề tại các điểm k ết nối.
Như một sự thay thế kinh tế cho một hệ thống đơn cực vớ i hệ thông đườ ng về dây kim loại, trung điểm của một chuyển đổi 12-xung có thể đượ c k ết nối vớ i đất tr ực tiế p hoặc thông qua một tr ở kháng và hai nửa dây cáp điện áp hoặc dây dẫn có thể đượ c sử dụng. Bộ chuyển đổi chỉ hoạt động ở chế độ 12-xung do đó không có dòng đất. Cấu hình phổ biến nhất trên đườ ng dây truyền tải HVDC hiện đại là lưỡ ng cực vớ i một bộ chuyển đổi 12-xung duy nhất cho mỗi cực tại mỗi thiết bị đầu cuối. Điều này cho phép hai mạch dc độc lậ p mỗi bên có khả năng vớ i một nửa công suất. Đối vớ i vận hành cân bằng bình thườ ng không có dòng đất. Vận hành đơn cực dòng quay lại qua đất, thườ ng có công suất quá tải, có thể đượ c sử dụng trong thờ i gian sự cố của cực đối diện. Vận hành dòng quay lại qua đất có thể đượ c gi ảm thiểu trong thờ i gian mất đơn cực bằng cách sử dụng đườ ng dây cực ngượ c lại cho dòng quay về qua dây dẫn kim loại qua cực/chuyển đổi qua chuyển mạch ở mỗi đầu. Điều này đòi hỏ i một công tắc chuyển kim loại, tr ở lại trong dòng điệ n mặt đất t ại một trong những thiết bị đầu cu ối dc commutate dòng điệ n t ừ sức đề kháng tương đối th ấ p của trái đất vào của đườ ng dây dẫn dc. Kim loại năng lực hoạt động tr ở lại đượ c cung cấ p cho hầu h ết các hệ thống truyền t ải dc. Điều này không chỉ có hiệu qu ả trong thờ i gian cúp chuyển đổi nhưng cũng khi có sự cố cách điện đường, nơi sức mạnh cách còn lại là đủ để chịu được điện áp thấ p giảm điện tr ở trong con đườ ng tr ở về kim loại. Bố trí tr ạm Bố trí tr ạm chuyển đổi ph ụ thuộc vào một s ố yếu tố như cấu hình tr ạm, t ức là đơn cực, lưỡ ng cực hoặc back-to-back liên k ết không đồng b ộ, thiết k ế van, hệ thống k ết nối ac, yêu cầu lọc, yêu cầu đền bù công suất phản kháng, quỹ đất và môi trường địa phương. Trong hầ u hết các trườ ng hợ p, các van thyristor là loại cách điện không khí, làm mát bằng nước và đặt trong một tòa nhà chuyển đổi thườ ng đượ c gọi là một phòng lớ n van. Cho mối quan hệ back-to-back với đặc trưng điện áp dc thấ p, van thyristor có thể được đặt trong cấu kiện đúc sẵn thùng điện trong trườ ng hợ p này một phòng van là không c ần thiết. Để có đượ c một thiết k ế tr ạm nhỏ gọn hơn và giả m số lượng các cách điện ống lót tườ ng cao áp, biến áp biến đổi thường được đặt li ền k ề vớ i phòng van vớ i van ống lót quanh co nhô ra thông qua các bức tườ ng xây dựng để k ết nối vớ i van. Gấ p đôi hoặc bốn lần van cấu trúc
module van nhà ở đượ c sử dụng trong phòng van. Hãm van nằm ngay cạnh các van. Trong nhà chuyển đổi nối đất sử dụng động cơ đượ c s ử dụng cho an toàn cá nhân trong quá trình bảo trì. Hệ thống làm mát van vòng lặp đóng đượ c sử dụng để lưu thông các phương tiện làm mát thông qua các van thyristor trong nhà v ớ i truyền nhiệt đến tháp làm mát khô hoặc làm mát bay hơi nằm ngoài tr ời . 3.3 công nghệ và Cấu hình thay thế 3.4 Voltage Source Converter (VSC) Based HVDC Transmission