TRUYỀN TẢI HVDC

1. INTRODUCTION

Truyền tải cao áp một chiều (HVDC) được công nhận rộng rãi là thuận lợi cho đường dài, chuyển giao số lượng lớn năng lượng, kết nối không đồng bộ, cáp xuyên biển với khoảng cách dài. Đường dây HVDC và cáp ít tốn kém và có tổn thất thấp hơn so với truyền tải ba pha AC. Đường dây HVDC điển hình sử dụng một cấu hình lưỡng cực với hai cực độc lập và có thể được so sánh với đường dây mạch đôi xoay chiều. Do liên kết HVDC có khả năng điều khiển, chúng có thể cung cấp công suất ổn định không bị giới hạn bởi tắc nghẽn mạng hoặc loop trên những đường dây song song. So với truyền tải AC, truyền tải HVDC có thể truyền tải công suất cao hơn trên một khoảng cách dài hơn với ít đường dây và cáp hơn. Hệ thống HVDC đã trở thành thực tế và khả năng thương mại với sự ra đời của van hồ quang thủy ngân điện áp cao trong những năm 1950. Van thyristor rắn đã được giới thiệu trong những năm 1960 cuối năm dẫn đến thiết kế chuyển đổi đơn giản với 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 được giới thiệu cho phép sử dụng rộng rãi truyền tải HVDC trong các ứng dụng mà có thể không được nếu không được xem xét.

2. APPLICATIONS

Sự gia tăng đáng kể truyền tải HVDC có thể là do một hoặc nhiều hơn những lý do sau:

2.1 Kinh tế

Hệ thống truyền tải HVDC để truyền tải cho đường dài thường được chọn do kinh tế hơn so với điện xoay chiều, chuyển giao số lượng lớn năng lượng từ các nguồn tài nguyên xa như phát triển thủy điện, nhà máy điện tại mỏ (mỏ than …) hoặc máy phát gió quy mô lớn. Bất cứ khi nào truyền dẫn khoảng cách dài được thảo luận, khái niệm “khoảng cách hòa vốn” thường xuyên phát sinh. Đây là điểm mà các khoản tiết kiệm trong chi phí đường dây và chi phí vốn do các tổn hao thấp hơn bù đắp lại chi phí cho trạm biến đổi cao hơn. Tuyến HVDC lưỡng cực chỉ sử dụng hai bộ cách điện cho dây dẫn chứ không phải là ba như trong AC. Kết quả là tháp truyền dẫn nhỏ hơn có hàng hẹp hơn và tổn hao thấp hơn so với dòng điện

xoay chiều công suất tương đương. Ước các khoản tiết kiệm trong xây dựng đường dây là 30%.

Mặc dù khoảng cách hòa vốn bị ảnh hưởng bởi chi phí về xây dựng đường dây và quyền ưu tiên với giá trị tiêu biểu của 500 km, khái niệm tự nó bị nhầm lẫn bởi vì trong nhiều trường hợp nhiều đường dây xoay chiều là cần thiết để cung cấp cùng công suất trong cùng một khoảng cách do ổn định hạn chế của hệ thống. Hơn nữa, đường dây xoay chiều khoảng cách dài thường yêu cầu các trạm 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 đường dây tải điện xoay chiều 345 kV bù nối tiếp. Tương tự, Dự án Intermountain Power (IPP) ± 500 kV, 1600 MW AC thay thế bao gồm hai đường dây 500 kV xoay chiều. Dự án IPP lợi dụng tính chất mạch kép của dòng lưỡng 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 Hiệp ở Trung Quốc sẽ có yêu cầu 5 x 500 kV ac đối ngược với 2 x ± 500 kV, 3.000 MW đường dây HVDC lưỡng cực .

Đối với hệ thống cáp ngầm dưới đất hoặc ngầm dưới biển tiết kiệm đáng kể chi phí lắp đặt cáp và chi phí tổn thất truyền tải với HVDC. Tùy thuộc vào mức năng lượng được truyền đi, các khoản tiết kiệm có thể bù đắp chi phí trạm biến đổi cao hơn ở khoảng cách 40 km hoặc hơn. Hơn nữa, có sự sút giảm nhanh trong năng lực cáp với truyền tải ac quá khoảng cách do các thành phần phản kháng của dòng điện nạp. Mặc dù điều này có thể được bù đắp bằng bù ngang trung gian cho cáp ngầm nhưng không thực tế để làm như vậy cho cáp ngầm dưới biển. Đối với

một diện tích dẫn cáp, tổn thất đường dây với cáp HVDC có thể được ít hơn một nửa so với 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 vỏ cáp và áo giáp.

Functional

Năng lực kiểm soát và bản chất không đồng bộ của truyền HVDC cung cấp một số lợi thế nhất định cho các ứng dụng truyền tải. Khả năng truyền tải HVDC là bền vững và thường sử dụng chạy cao hơn do khả năng kiểm soát của mình. Điều này là do sự tắc nghẽn hoặc dòng chảy vòng lặp trên đường truyền song song không làm cho phải cắt giảm kế hoạch để giảm tải.

Với hệ thống cáp, tải trọng đối xứng hoặc nguy cơ quá tải sau biến cố bất thường là kết quả trong việc sử dụng kết nối nối tiếp máy biến áp dịch pha. Những vấn đề này không tồn tại với một hệ thống cáp HVDC có kiểm soát.

Với hệ thống truyền tải HVDC, các mối liên kết có thể được thực hiện giữa 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 kết cùng có lợi mà còn cung cấp một vùng đệm giữa hai hệ thống. Thường thì những mối liên kết sử dụng bộ chuyển đổi back-to-back không có đường dây truyền tải. Các liên kết không đồng bộ hoạt động như một "bức tường lửa" hiệu quả đối với công tác ngăn chặn sự cố lan trong một mạng qua mạng khác.

Nhiều liên kết không đồng bộ tồn tại ở Bắc Mỹ giữa hệ thống kết 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 kết nối phía Tây, và giữa Quebec và vùng kế cận như là New England và Maritimes. Tháng 8 năm 2003 mất điện cung cấp về phía đông bắc là một ví dụ về "bức tường lửa" chống lại sự cố điện lan tỏa do được cung cấp bởi các mối liên kết không đồng bộ. Khi cúp lan ra xung quanh khu vực Great Lakes và thông qua Ontario và New York nó dừng lại ở giao diện không đồng bộ với Quebec. Quebec là không bị ảnh hưởng, các mối liên kết yếu AC giữa New York và New England nhả ra nhưng các liên kết HVDC từ Quebec tiếp tục cung cấp năng lượng cho New England.

2.2 Về môi trường

HVDC cho phép cung cấp công suất cao hơn với ít đường đây hơn và khoảng cách hàng hẹp hơn. Điều này đặc biệt quan trọng trong cố gắng để khai

thác tài nguyên đa dạng ở các địa điểm xa, nơi đường dây có thể đi qua khu vực nhạy cảm về môi trường hoặc danh lam thắng cảnh. Không có cảm ứng điện hoặc điện từ trường thay đổi từ đường truyền HVDC. Không có hạn chế vật lý về giới hạn khoảng cách cho các loại cáp ngầm. Cáp ngầm có thể được sử dụng trên tuyến chia sẻ với các công ty tiện ích khác mà không ảnh hưởng đến đọ tin cậy liên quan đến sử dụng hành lang chung. Tổn hao cáp thấp hơn cải thiện hiệu quả và kết quả là ít nung nóng trong đất hơn.

HVDC qui ước

Sơ đồ truyền tải HVDC thông thường sử dụng line-commutated, biến đổi nguồn dòng. Bộ chuyển đổi như vậy đòi hỏi một nguồn điện áp đồng bộ để hoạt động. Các khối xây dựng cơ bản được dùng để chuyển đổi HVDC là ba pha, cầu toàn sóng được gọi là cầu 6 xung hoặc cầu Graetz. Thuật ngữ 6 xung là do sự đặc trưng các gợn sóng hài trong điện áp đầu ra DC đó là bội số của 6 lần so với 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 số thyristor kết nối nối tiếp để đạt được mức điện áp DC mong muốn.

Đầu cuối dc của hai cầu 6 xung với nguồn điện áp ac pha thay đổi 30 độ có thể được kết nối nối tiếp khi hoạt động 12-xung. Trong hoạt động 12-xung đặc tính hài dòng và áp có tần số tương ứng 12N ± 1 và 12N. Chuyển pha 30 độ có thể dễ dàng đạt được bằng cách đấu nối một cầu qua cuộn thứ cấp một biến áp đấu Y và ở cầu còn lại đấu cuộn thứ cấp 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. Điều này là bởi vì mặc dù các dòng điều hòa vẫn chảy qua các van và các cuộn dây biến áp, chúng có góc pha 180 độ và bị loại bỏ từ phía sơ cấp.

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 được yêu cầu một cáp cách điện hoặc dây dẫn. Hệ thống như vậy thường được sử dụng với điện cực đường dây có điện áp thấp và điện cực là biển để mang dòng điện trở lại trong cáp ngầm xuyên biển.

Ở một số vùng có điều kiện không thuận lợi cho đất đơn cực hoặc đường trở lại từ biển. Đây có thể là trường hợp những vùng trong khu vực bị tắc nghẽn, cáp ngầm qua vùng nước ngọt hoặc các khu vực với điện trở đất cao. Trong trường hợp này cáp điện kim loại trung tính hoặc điện áp thấp được sử dụng cho đường trở lại và mạch dc sử dụng tham chiếu mặt đất địa phương đơn giản.

Trạm back-to-back được sử dụng cho kết nối mạng không đồng bộ và sử dụng dòng điện xoay chiều để kết nối hai bên. Trong hệ thống như vậy chuyển tải công suất bị hạn chế bởi năng lực tương đối của các hệ thống ac liền kề tại các điểm kết nối.

Như một sự thay thế kinh tế cho một hệ thống đơn cực với hệ thông đường về dây kim loại, trung điểm của một chuyển đổi 12-xung có thể được kết nối với đất trực tiếp hoặc thông qua một trở kháng và hai nửa dây cáp điện áp hoặc dây dẫn có thể được 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 đường dây truyền tải HVDC hiện đại là lưỡng cực với 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 lập mỗi bên có khả năng với một nửa công suất. Đối với vận hành cân bằng bình thường không có dòng đất. Vận hành đơn cực dòng quay lại qua đất, thường có công suất quá tải, có thể được sử dụng trong thời gian sự cố của cực đối diện.

Vận hành dòng quay lại qua đất có thể được giảm thiểu trong thời gian mất đơn cực bằng cách sử dụng đường dây cực ngược lại cho dòng quay về qua dây dẫn kim loại qua cực/chuyển đổi qua chuyển mạch ở mỗi đầu. Điều này đòi hỏi một công tắc chuyển kim loại, trở lại trong dòng điện mặt đất tại một trong những thiết bị đầu cuối dc commutate dòng điện từ sức đề kháng tương đối thấp của trái đất vào của đường dây dẫn dc. Kim loại năng lực hoạt động trở lại được cung cấp cho hầu hết các hệ thống truyền tải dc. Điều này không chỉ có hiệu quả trong thời 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 thấp giảm điện trở trong con đường trở về kim loại.

Bố trí trạm

Bố trí trạm chuyển đổi phụ thuộc vào một số yếu tố như cấu hình trạm, tức là đơn cực, lưỡng cực hoặc back-to-back liên kết không đồng bộ, thiết kế van, hệ thống kết nối ac, yêu cầu lọc, yêu cầu đền bù công suất phản kháng, quỹ đất và môi trường địa phương. Trong hầu hết các trường hợp, các van thyristor là loại cách điện không khí, làm mát bằng nước và đặt trong một tòa nhà chuyển đổi thường được gọi là một phòng lớn van. Cho mối quan hệ back-to-back với đặc trưng điện áp dc thấp, van thyristor có thể được đặt trong cấu kiện đúc sẵn thùng điện trong trường hợp này một phòng van là không cần thiết. Để có được một thiết kế trạm nhỏ gọn hơn và giảm số lượng các cách điện ống lót tường cao áp, biến áp biến đổi thường được đặt liền kề với phòng van với van ống lót quanh co nhô ra thông qua các bức tường xây dựng để kết nối với van. Gấp đôi hoặc bốn lần van cấu trúc

module van nhà ở được sử dụng trong phòng van. Hãm van nằm ngay cạnh các van. Trong nhà chuyển đổi nối đất sử dụng động cơ được sử dụng cho an toàn cá nhân trong quá trình bảo trì. Hệ thống làm mát van vòng lặp đóng được sử dụng để lưu thông các phương tiện làm mát thông qua các van thyristor trong nhà với truyền nhiệt đến tháp làm mát khô hoặc làm mát bay hơi nằm ngoài trời.

3.3 công nghệ và Cấu hình thay thế

3.4 Voltage Source Converter (VSC) Based HVDC Transmission