Khảo sát phân bố công suất trong hệ thống điện có đường dây HVDC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM


NGUYỄN ĐÌNH SƠN


KHẢO SÁT PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TRONG
HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ ĐƯỜNG DÂY HVDC




LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã số ngành: 60520202




TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM



NGUYỄN ĐÌNH SƠN

KHẢO SÁT PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TRONG
HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ ĐƯỜNG DÂY HVDC




LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã số ngành: 60520202


CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HỒ VĂN HIẾN





TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM



Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Hồ Văn Hiến

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM ngày
18 tháng 01 năm 2014.

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:


TT Họ và tên Chức danh Hội đồng
1 TS. Nguyễn Hùng Chủ tịch
2 TS. Võ Ngọc Điều Phản biện 1
3 TS. Trương Việt Anh Phản biện 2
4 PGS.TS. Lê Kim Hùng Ủy viên
5 TS. Huỳnh Quang Minh Ủy viên, thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày … tháng … năm 20…

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Đình Sơn Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 15-01-1983 Nơi sinh: Tp. Đà Nẵng
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1241830028

I- TÊN ĐỀ TÀI:
Khảo sát phân bố công suất trong hệ thống điện có đường dây HVDC
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Giới thiệu tổng quan về công nghệ HVDC. Nêu nguyên lý hoạt động của hệ thống
HVDC, so sánh giữa hai hệ thống truyền tải HVDC và HVAC.
Nghiên cứu mối quan hệ giao tiếp giữ
a hệ thống DC/AC và phân bố công suất trong hệ
thống truyền tải. Ứng dụng chương trình xử lý toán học Matlab khảo sát phân bố công
suất khi có đường dây HVDC trong hệ thống truyền tải điện AC.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 12-06-2013
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 31-12-2013
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Hồ Văn Hiến

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH



i

LỜI CAM ĐOAN


Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Đ
ình Sơn
ii

LỜI CÁM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến TS. Hồ Văn Hiến đã hướng dẫn, chỉ dạy
và giúp đỡ em tận tình trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo của Khoa Cơ – Điện – Điện Tử đã
cung cấp kiến thức, phòng Quản lý khoa học và Đào tạo sau ĐH trường Đại Học Công
Nghệ Tp. HCM đã tạo mọi điều kiện trong su
ốt quá trình học tập tại trường, góp ý
nhiều ý kiến quý báu để em hoàn thành tốt luận văn.
Em xin cảm ơn, gia đình, cơ quan, bạn bè và đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện,
quan tâm và giúp đỡ em hoàn thành luận văn này.
Mặc dù trong thời gian qua đã cố gắng nỗ lực nghiên cứu nhưng kiến thức còn
nhiều hạn chế nên không thể tránh được những thiếu sót. Kính mong các thầy cô trong
hội đồ
ng khoa học xem xét góp ý, chỉnh sửa để luận văn được hoàn thiện tốt hơn và
trong những nghiên cứu sau này.
Em xin chân thành cảm ơn!

TP. HCM, ngày 30 tháng 12 năm 2013




Nguyễn Đình Sơn

iii

TÓM TẮT
Ngày nay, truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC) là một thành phần không
thể thiếu trong hệ thống truyền tải của nhiều quốc gia trên thế giới. Với ưu điểm của
HVDC giảm tổn thất công suất trên đường dây truyền tải so với truyền tải điện xoay
chiều cùng cấp điện áp, điều này dẫn đến chi phí tổn thất điện nă
ng của hệ thống
HVDC sẽ thấp hơn truyền tải điện xoay chiều.
Đối với truyền tải điện cao áp xoay chiều (HVAC) các nhà nghiên cứu luôn
luôn tìm cách khắc phục những hạn chế mà nó ẩn chứa. Trong truyền tải điện năng,
để truyền tải đi càng xa thì điện áp phải được nâng lên càng cao nhưng cũng nảy
sinh nhiều vấn đề phức tạp về
điện từ trường, điều kiện ổn định, biến thiên điện áp,
lệch tần số, tổn thất….và chi phí tăng cao. Việc truyền tải điện qua các địa hình
phức tạp: biển đảo, địa hình hiểm trở… với truyền tải HVAC không thể tối ưu hơn
được thì truyền tải HVDC có thể tốt hơn về kinh tế và kỹ thuật.
Từ nh
ững năm 1970, sự phát triển của linh kiện bán dẫn đã thúc đẩy lĩnh vực
tử công suất phát triển vượt trội với hàng loạt các ứng dụng trong khoa học kỹ thuật.
Điều này đã mang lại cho truyền tải HVDC một sự thay đổi mới với nhiều ưu điểm
nổi bật hơn: công suất truyền tải, tần số đóng cắt, bảo vệ
sự cố, linh hoạt điều khiển,
vận hành tối ưu, chi phí bảo trì Chính vì vậy nó được ứng dụng phát triển nhanh

hơn, cho đến những năm gần đây với hàng loạt các dự án trên khắp các châu lục về
truyển tải không đồng bộ trên các vùng miền cũng như mua bán điện giữa các quốc
gia khu vực.
Tại Việt Nam trong những năm gần đây, truyền tải HVDC đượ
c các nhà
nghiên cứu trong nước chỉ quan tâm ở khía cạnh công nghệ mới, bài toán kinh tế, lý
thuyết điều khiển, ý tưởng kết nối… nhưng chưa quan tâm nghiên cứu giải quyết
vấn đề phân bố lại công suất trong hệ thống truyền tải khi có hệ thống HVDC kết
nối vào. Trong thực tế, việc ổn định hệ thống sẽ đáp ứng nhanh hơn, linh hoạt hơn,
hiệu quả
hơn khi việc trao đổi số liệu giữa hại hệ thống được giải quyết thực thi.
Trong luận văn này trình bày nghiên cứu về việc Khảo sát phân bố công suất trong
hệ thống điện khi có đường dây HVDC.
iv

ABSTRACT
Recently, transmission system of the High Voltage Direct Current (HVDC) has
been become one of the indispensable components in transmission systems of many
countries around the world. With the advantage of reducing power losses on HVDC
transmission lines compared to AC transmission lines at the same voltage level, this
leads to power losses cost of the HVDC system will be lower.


For high voltage alternating current (HVAC) transmission, researchers alway
find out to get overcome some limitations problem which it hides. In the power
transmission, if they wants to transmit power far away, have to boost voltage higher
that also means raised many complex issues in an electromagnetic field, stable
conditions, variable voltage, frequency deviation, losses and rising costs. The
transmission power through-other complicated topography condition: from
mainlands to island, craggy terrain with HVAC transmission can not be optimized

over the transmission of HVDC can execute better economically and technically.
Since the 1970s, the development of high - power semiconductor devices has
been advancement power electronic highly development with a remarkable range of
applications in science technology. This really gives a HVDC transmission new
changes with more characteristic advantages: transmit power, frequency switching,
fault protection, flexible control, optimal operation, costs maintenance Therefore,
it is faster application development, until recent years with a series of projects on all
continents of transmit asynchronously as well as the purchasing power between
countries in region.
Vietnam in recently years, HVDC transmission are researchers interested only
in their countries with kind of new technology, economic problems, control theory,
the idea of interconnection but not interested in research problem solving
redistribution of power transmission systems when connected to the HVDC system.
In practical, the stability system respond faster, more flexible, more efficient
exchange of data between the two systems is solved executed. In this thesis presents
research: survey on distributed transmit power system while HVDC lines.
v

MỤC LỤC
Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Tóm tắt iii
Mục lục v
Danh mục các từ viết tắt ix
Danh mục các bảng x
Danh mục các biểu đồ, đồ thị, sơ đồ, hình ảnh xi
Lời mở đầu 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 3
1. Đặt vấn
đề 3

2. Nội dung nghiên cứu của đề tài 5
3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài 5
4. Điểm mới của đề tài 5
5. Giá trị thực tiễn của đề tài 6
6. Kết cấu của đề tài 6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI ĐIỆN HVDC 7
1.1 Lịch sử phát triển công nghệ truyền tải đi
ện một chiều 7
1.2 Thành tựu mới đạt được của công nghệ truyền tải điện 11
1.3 Cấu hình hệ thống HVDC 12
1.3.1 Kết nối đơn cực 12
1.3.2 Kết nối lưỡng cực 13
1.3.3 Kết nối đồng cực 16
1.4 Các phần tử chính trong hệ thống HVDC 17
1.4.1 Bộ biến đổi 17
1.4.2 Cu
ộn kháng nắn dòng 22
1.4.3 Bộ lọc họa tần 22
1.4.4 Nguồn cung cấp công suất phản kháng 24
1.4.5 Điện cực 24
vi

1.4.6 Đường dây một chiều 24
1.4.7 Máy cắt điện AC 24
1.4.8 Hệ thống làm mát van 25
CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG HVDC 26
2.1 Phân tích hoạt động bộ biến đổi 26
2.1.1 Mạch cầu 3 pha toàn sóng 26
2.1.2 Hoạt động của bộ biến đổi khi bỏ qua ảnh hưởng của cảm kháng nguồn 27
2.1.3 Mối quan hệ giữa dòng điệ

n và pha 30
2.1.4 Ảnh hưởng của góc chồng chập chuyển mạch 32
2.1.5 Chế độ chỉnh lưu 38
2.1.6 Chế độ nghịch lưu 39
2.1.7 Mối quan hệ giữa các đại lượng một chiều và xoay chiều 42
2.1.8 Công suất của máy biến áp biến đổi 44
2.2 Bộ biến đổi nhiều cầu 44
2.3 Mô hình hóa hệ thống HVDC 48
2.3.1 Chế
độ vận hành 1 51
2.3.2 Chế độ vận hành 2 53
2.3.3 Chế độ vận hành 3 54
2.4 Những tác động ảnh hưởng lẫn nhau của hệ thống AC/DC 56
2.4.1 Tỉ số ngắn mạch hệ thống 56
2.4.2 Công suất phản kháng và cường độ của hệ thống AC 57
2.4.3 Những vấn đề của hệ thống có giá trị ESRC nhỏ 57
CHƯƠNG 3: SO SÁNH GI
ỮA TRUYỀN TẢI ĐIỆN HVDC VÀ HVAC 60
3.1 Ảnh hưởng của công suất và khoảng cách truyền tải 60
3.1.1 Ảnh hưởng của công suất truyền tải 60
3.1.2 Ảnh hưởng của khoảng cách truyền tải 63
3.2 Ảnh hưởng của các yếu tố khác 65
3.2.1 Điện trường và vầng quang điện 65
3.2.2 Thiết kế cách điện 65
vii

3.2.3 Ảnh hưởng của độ cao 66
3.2.4 Tải trọng đường dây 67
3.2.5 Hành lang tuyến 68
3.3 So sánh tính kinh tế giữa truyền tải AC và truyền tải DC 68

3.3.1 Chi phí đầu tư của hệ thống HVDC 68
3.3.2 Phân tích chi tiết với chi phí đầu tư cho hệ thống HVDC 69
3.3.3 Chi phí vận hành của hệ thống HVDC 74
3.3.4 Kết luận 77
3.4 Hiệu quả về mặt kỹ
thuật của truyền tải DC 79
3.4.1 Hệ thống HVDC không bị giới hạn công suất hay khoảng cách truyền tải do
điều kiện ổn định 79
3.4.2 Hiệu quả truyền tải của đường dây DC cao hơn đường dây AC 80
3.4.3 Hệ thống HVDC điều khiển hoàn toàn lượng công suất truyền tải 80
3.4.4 Dùng HVDC làm đường dây liên lạc hệ thống 81
3.4.5 Đường dây DC không bị ảnh hưởng bởi t
ần số của hệ thống 81
3.4.6 Khả năng hòa mạng lên lưới rất nhanh 81
3.4.7 Độ tin cậy của truyền tải điện HVDC rất cao 81
3.4.8 Có khả năng mở rộng và phát triển thuận tiện 82
3.4.9 Việc nghiên cứu và áp dụng hệ thống HVDC nhiều trạm dừng sẽ đem lại bước
đột phá trong hệ thống điện 82
CHƯƠNG 4: PHÂN BỐ CÔNG SU
ẤT TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI 83
4.1 Phân bố công suất trong hệ thống HVAC 83
4.1.1 Các phương trình mạng cơ bản 83
4.1.2 Phương pháp phân bố công suất Newton – Raphson 85
4.2 Phân bố công suất khi có HVDC 89
4.3 Bài toán giao tiếp AC/DC khi chưa có bù hai đầu HVDC 91
4.3.1 Kết quả tính toán ban đầu 92
4.3.2 Kết quả tính toán ban đầu chạy trên chương trình Matlab 94
4.3.3 Tính toán bài toán giao tiếp AC/DC 94
viii

4.3.4 Thực hiện bài toán giao tiếp với chương trình Matlab 100
4.4 Bài toán giao tiếp DC/AC khi có bù 2 đầu HVDC 101
4.4.1 Bài toán được tiến hành tính toán từ phía đầu nghịch lưu 103
4.4.2 Bài toán tính phía chỉnh lưu sau khi có kết quả từ phía nghịch lưu 109
4.5 Phân bố công suất trong hệ thống điện AC 5 nút khi chưa có HVDC 117
4.5.1 Số liệu mạng điện 118
4.5.2 Phân bố công suất mạng điện khi chưa có HVDC 119
4.6 Phân bố công suất trong hệ thố
ng điện AC 5 nút khi có HVDC 120
4.6.1 Số liệu đường dây HVDC và các trị số ban đầu 120
4.6.2 Quá trình tính lặp để giao tiếp giữa hệ thống AC và đường dây HVDC 121
4.6.3 Kết quả khảo sát đường dây HVDC sau khi bài toán giao tiếp được hội tụ . 128
4.6.4 Số liệu mạng điện khi thay đường dây 34 bằng đường dây HVDC 130
4.6.5 Tính phụ tải tổng hợp tương đương trong hệ thống AC tại các nút có nối với
đường dây HVDC 130
4.6.6 Kết quả phân b
ố công suất trong hệ thống AC 131
4.6.7 Kết luận 132
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 134
5.1 Kết luận 134
5.2 Kiến nghị 135
TÀI LIỆU THAM KHẢO 136
PHỤ LỤC






ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
HVAC High Voltage Alter Current
HVDC High Voltage Derection Current
CC Constant Current / Dòng Hằng Số
CEA Constant Extinction Angle
CIA Constant Ignition Angle
SVC Static Var Compensator
SCR Silicon Controller Reator
IGBT Isulated Gate Bipolar Transistor
GTO Gate Turn Off
MBA Máy Biến Áp




x

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Danh sách liệt kê các công trình đường dây truyền tải HVDC được xây
dựng, vận hành và dự kiến vận hành trên thế giới từ 2010 đến nay 8
Bảng 3.1 Yêu cầu số mạch truyền tải đối với lượng công suất 8GW và 12GW 61
Bảng 3.2 Ảnh hưởng của điện áp AC lên chi phí trạm HVDC 73
Bảng 3.3 Chi phí các thành phần hệ thống HVDC 74
Bảng 3.4 Ước lượng tổn thất công suất khác nhau của từng quốc gia 77
Bả
ng 4.1 Số liệu ban đầu mô hình giao tiếp giữa 2 hệ thống HVDC và HVAC 92
Bảng 4.2 Kết quả tính toán ban đầu chạy trên chương trình MatLab 94
Bảng 4.3 Kết quả đạt được sau 10 lần lặp 100
Bảng 4.4 Số liệu ban đầu mô hình giao tiếp giữa 2 hệ thống HVAC và HVDC khi

có thiết bị bù 102
Bảng 4.5 Kết quả tính toán đầu nghịch lưu bằng chương trình Matlab 109
Bảng 4.6 Kết quả tính toán đầu chỉnh lưu bằng chương trình Matlab 116
Bả
ng 4.7 Kết quả bài toán giao tiếp AC/DC khi có bù 2 đầu HVDC 116
Bảng 4.8 Số liệu nút của mạng điện 5 nút 118
Bảng 4.9 Số liệu nhánh của mạng điện 5 nút 118
Bảng 4.10 Kết quả phân bố công suất mạng điện 119
Bảng 4.11 Dòng công suất nhánh và tổn thất của mạng điện 5 nút 119
Bảng 4.12 Các thông số khi giao tiếp giữa đường dây HVDC và mạng điện 5 nút

128
Bảng 4.13 Số liệu nút của mạng điện 5 nút khi có đường dây HVDC 130
Bảng 4.14 Số liệu nhánh của mạng điện 5 nút khi có đường dây HVDC 130
Bảng 4.15 Kết quả phân bố công suất mạng điện 5 nút 131
Bảng 4.16 Dòng công suất nhánh và tổn thất 131
xi

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Kết nối đơn cực 12
Hình 1.2 Kết nối lưỡng cực 13
Hình 1.3 Các kiểu kết nối truyền tải một chiều 15
Hình 1.4 Kết nối đồng cực 16
Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống HVDC lưỡng cực 17
Hình 1.6 Ký hiệu các van và cầu chỉnh lưu 18
Hình 1.7 Cấu tạo, ký hiệu và sơ đồ Thyristor 18
Hình 1.8 Các kiểu sắp xếp van 19
Hình 1.9 Các dạng kết nối máy biến áp 20
Hình 1.10 Bộ biến đổi trong mạch cầu 12 xung 21
Hình 2.1 Mạch tương đương của mạch biến đổi ba pha toàn sóng 26

Hình 2.2 Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch cầu hình 2.1 27
Hình 2.3 Dạng sóng điện áp và dòng điện qua các van với góc kích trễ α 29
Hình 2.4 Sự thay đổi góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện theo góc kích trễ α 31
Hình 2.5 Dạng sóng dòng đ
iện 32
Hình 2.6 Ảnh hưởng của góc chồng chập trong chu kỳ dẫn của van 33
Hình 2.7 Thời gian (góc) dẫn của van với góc kích trễ 33
Hình 2.8 Mạch tương đương trong thời gian chuyển mạch 34
Hình 2.9 Dòng điện van trong chuyển mạch liên quan đến điện áp chuyển mạch 35
Hình 2.10 Dạng sóng điện áp ảnh hưởng của sự chồng chập mạch từ van 1 đến 3 36
Hình 2.11 Mạch tương đương củ
a mạch cầu chỉnh lưu 38
Hình 2.12a Ảnh hưởng của chồng chập làm suy giảm
t

từ 90° xuống 90°- μ/2 38
Hình 2.12b Dạng sóng điện áp và chu kỳ dẫn của van ở chế độ làm việc của bộ
nghịch lưu 39
Hình 2.13 Các góc ở chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu 41
Hình 2.14 Sơ đồ mạch tương đương của bộ biến đổi 41
Hình 2.15 Bộ biến đổi cầu 12 xung 45
Hình 2.16 Dạng sóng điện áp DC và dòng điện AC cầ
u 6 xung và 12 xung 46
xii

Hình 2.17 Tỷ số máy biến áp 1:T 47
Hình 2.18 Sơ đồ và mạch tương đương của hệ thống HVDC đơn giản 49
Hình 2.19 Giao tiếp giữa hệ thống AC - DC 50
Hình 2.20 Các chế độ vận hành ở trạng thái xác lập ổn định 51
Hình 2.21 Đường đặc tính của chế độ vận hành 1 51

Hình 2.22 Đường đặc tính của chế độ vận hành 2 53
Hình 2.23 Đường đặc tính của chế độ v
ận hành 3 54
Hình 3.1 Tổn thất vầng quang theo độ cao 62
Hình 3.2 Tổn thất truyền tải theo chiều dài 63
Hình 3.3 Chi phí đầu tư khi P = 3500 MW 64
Hình 3.4 Chi phí đầu tư khi P = 10000 MW 64
Hình 3.5 Mức tăng tương đối về yêu cầu cách điện ở cao độ khác nhau 66
Hình 3.6 Tải trọng dây dẫn cho HVAC và HVDC 67
Hình 3.7 Số mạch yêu cầu khi truyền tải 6000 MW bằng HVDC và HVAC 68
Hình 3.8 So sánh giữa cột điện và đườ
ng dây AC - DC 70
Hình 3.9 Quan hệ giữa tiết diện dây dẫn và chi phí theo điện áp 70
Hình 3.10 Quan hệ công suất truyền tải trên km ở mỗi mức điện áp theo chi phí 71
Hình 3.11 Các chi phí đặc trưng đối với cáp cách điện rắn 72
Hình 3.12 Chi phí tổn thất (%) cho trạm theo mức độ tải 75
Hình 3.13 So sánh giữa chi phí AC và DC theo khoảng cách truyền tải 78
Hình 4.1 Lưu đồ phương pháp dòng chảy công suất Newton – Raphson 88
Hình 4.2 Mô hình hệ thống HVDC đơn giản hóa 89
Hình 4.3 Mô hình giao tiế
p giữa 2 hệ thống HVDC và HVAC 91
Hình 4.4 Mô hình giao tiếp giữa 2 hệ thống HVDC và HVAC khi có thiết bị bù 102
Hình 4.5 Lưu đồ giải thuật giao tiếp và PBCS mạng AC - đường dây HVDC 117
Hình 4.6 Mô hình hệ thống điện AC 5 nút khi chưa có HVDC 118
Hình 4.7 Mô hình hệ thống xoay chiều 5 nút khi có đường dây HVDC 120
Hình 4.8 Phụ tải tổng hợp tương đương trong hệ thống AC tại các nút có nối với
đường dây HVDC 130

1

LỜI MỞ ĐẦU

Điện năng được xem là nguồn năng lượng đặc biệt từ khâu sản xuất đến
truyền tải, phân phối và sử dụng phải thông qua hệ thống đường dây truyền tải.
Ngày nay, điện năng là một yếu tố quan trọng không thể tách rời trong đời sống
sinh hoạt và sản xuất. Do nhu cầu tiêu thụ công suất ngày càng cao, nó đòi hỏi phải
đảm bảo được tính an toàn, linh hoạt, độ
tin cậy, tối ưu, chất lượng điện năng trong
truyền tải và phân phối.
Do đặc tính sản xuất ra nguồn năng lượng này có sự đa dạng và khác nhau
như: thuỷ điện, nhiệt điện, điện hạt nhân và các nguồn năng lượng tái tạo khác
(năng lượng gió, mặt trời, địa nhiệt, sóng, thuỷ triều…) vì vậy các nhà máy này
được xây dựng tại những vị trí
địa lý thuận lợi gần nguồn năng lượng khác nhau
cách xa trung tâm đô thị thành phố, khu công nghiệp. Để truyền tải điện năng từ nhà
máy điện đến các trạm, các hộ tiêu thụ điện có thể chỉ vài chục km đến cả ngàn km
(giữa các vùng khu vực, quốc gia, thậm chí cả châu lục) qua những địa hình khác
nhau. Chính vì lẽ đó, việc truyền tải điện đi càng xa điệ
n áp càng cao thì phát sinh
ra nhiều vấn đề liên quan: sự cố đường dây, tổn thất điện áp, mất cân đối phân bố
công suất, ổn định hệ thống, điều khiển, kiểm soát, bảo trì và chi phí xây dựng hệ
thống đều tăng cao, có thể nói đây chính là những rào cản hiện hữu.
So sánh cơ bản về truyền tải cao áp xoay chiều (HVAC) và truyền tải cao áp
một chiều (HVDC), người ta nhận thấy rằ
ng truyền tải HVDC có nhiều ưu điểm
hơn về nhiều mặt kinh tế và kỹ thuật cho việc truyền tải đi xa đối với các hệ thống
điện đồng bộ, không đồng bộ (kết nối điểm đến điểm) hoặc kết nối trạm phân phối
không đồng bộ (kết nối kề lưng) thông qua việc biến đổi đi
ện áp AC/DC và biến đổi
ngược lại DC/AC. Khi linh kiện bán dẫn công suất cao ra đời thay thế cho hệ thống

đóng ngắt van thuỷ ngân trong những năm đầu, thì HVDC được phát triển ngày
càng mạnh hơn ở các quốc gia trên thế giới.
Ngày nay, hệ thống truyền tải HVDC chiếm một vị trí quan trọng trong việc
truyền tải và phân phối điện năng trên thế giới với sự hỗ trợ của thiế
t bị FACT
2

(truyền tải xoay chiều linh hoạt), đã cải thiện đáng kể việc giao tiếp HVDC và
HVAC trong hệ thống, thông qua việc điều khiển linh hoạt hơn, nhanh hơn trong
bài toán phân bố công suất.
Tại Việt Nam những năm gần đây, với chủ trương phát triển kinh tế, khoa học
kỹ thuật đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu quan tâm nhiều hơn đến vấn đề truyền tải
HVDC. Nhằm nâng cao tính linh hoạ
t và đa dạng truyền tải, lợi ích kinh tế đến mọi
vùng miền trên Tổ quốc hoặc thậm chí mua bán điện đến các quốc gia lân cận. Về
nghiên cứu, đã có nhiều đề tài trình bày về các vấn đề liên quan đến hệ thống
HVDC nhưng với đề tài luận văn này sẽ đưa ra một vấn đề quan trọng khác đó là
giao tiếp giữa hai hệ thống HVDC – HVAC kết hợp với vi
ệc giải quyết được vấn đề
phân bố công suất trong hệ thống truyền tải nhằm đạt hiệu quả tối ưu trong truyền
tải điện.




3

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1. Đặt vấn đề

Hệ thống truyền tải điện đóng vai trò rất quan trọng trong việc kết nối giữa
nguồn và phụ tải tiêu thụ. Thông thường các nhà máy phát điện thường được xây
dựng ở những nơi có điều kiện cung cấp nguồn năng lượng, trong khi đó các phụ tải
lại tập trung ở những nơi cách xa các nhà máy phát điện. Vì vậy khoả
ng cách truyền
tải từ nhà máy phát điện đến tải tiêu thụ là rất xa. Bên cạnh đó, truyền tải điện qua
những khu vực, biển đảo, vùng địa lý địa hình khó khăn mà truyền tải cao áp xoay
chiều (HVAC) khó đạt hiệu quả về kinh tế và kỹ thuật. Vì vậy phải nghiên cứu và
đưa ra các giải pháp truyền tải tối ưu nhất để đạt hiệu quả về mặt kinh tế
và kỹ
thuật. Trong đó truyền tải cao áp một chiều (HVDC) đã được nghiên cứu và áp
dụng từ nhiều năm trước trên thế giới vì truyền tải HVDC có nhiều ưu điểm so với
truyền tải AC.
Ngày nay công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều là một thành phần không
thể thiếu trong hệ thống truyền tải điện của nhiều quốc gia trên thế giớ
i. Truyền tải
điện cao áp một chiều có nhiều thuận lợi hơn truyền tải điện xoay chiều trong một
số trường hợp đặc biệt:
- Sử dụng hệ thống truyền tải cao áp một chiều sẽ giúp cho việc trao đổi điện
năng giữa các hệ thống điện không đồng bộ dễ dàng.
- Hệ thống HVDC có khả năng đi
ều khiển nhanh chóng công suất truyền tải và
đảm bảo ổn định tĩnh của hệ thống tốt.
- Tải công suất nhiều hơn trên mỗi dây dẫn và vận hành độc lập, ít choáng
hành lang, tiết kiệm đáng kể về cách điện.
- Chi phí đầu tư cho trạm chuyển đổi AC-DC và DC-AC cao hơn rất nhiều so
với chi phí xây dựng trạm biến áp xoay chiều, chi phí này được bù đắp bởi chi phí
giảm được c
ủa đường dây 1 chiều và tổn thất điện năng.
- Hành lang tuyến của đường dây HVDC nhỏ hơn HVAC: Do thiết kế cột gọn

nhẹ hơn, số mạch ít hơn và ảnh hưởng của điện trường tĩnh đến sức khỏe con người
4

tương tự như từ trường trái đất và không cần được tính toán kỹ như đường dây xoay
chiều nên hành lang tuyến của đường dây DC nhỏ gọn hơn AC, chi phí cho đền bù,
giải phóng mặt bằng thấp hơn.
- Đầu tư cho đường dây truyền tải 1 chiều thấp hơn xoay chiều do thiết kế cột
của đường dây 1 chiều gọn nhẹ hơn, xây dựng đường dây đơn giản.
- Tổn thấ
t đường dây thấp hơn, tải nhiều điện năng hơn vào mạng xoay chiều
mà không làm tăng dòng ngắn mạch và định mức của các máy cắt.
- Đường dây siêu cao áp một chiều không có công suất phản kháng, chỉ truyền
tải công suất tác dụng nên không gặp các vấn đề về quá điện áp trên đường dây dài
như hệ thống xoay chiều.
- Liên kết 2 hệ thống không đồng bộ: Hệ thống HVDC có thể giúp trao đổ
i
công suất giữa các hệ thống điện khác nhau về tần số, điều độ vận hành, thậm chí có
thể liên kết giữa hệ thống điện mạnh với hệ thống điện yếu hơn nhiều mà không làm
ảnh hưởng đến nhau.
- Đối với những đường cáp biển có chiều dài trên 50km thì truyền tải bằng
đường cáp xoay chiều là không khả thi, trong khi đó, cáp HVDC có thể truyền tả
i
hàng trăm km (lên đến 600km).
- Hệ thống HVDC có khả năng cách ly sự cố rã lưới và tăng độ ổn định hệ
thống điện. Nhiều hệ thống HVDC có khả năng phát ra công suất phản kháng độc
lập với công suất tác dụng, do đó có tác dụng như nguồn áp, có thể cấp điện cục bộ
cho những hệ thống điện yếu, tăng ổn đị
nh hệ thống điện.
- Các nhược điểm về mặt kỹ thuật của hệ thống HVDC chủ yếu liên quan đến
vấn đề xử lý sóng hài khá phức tạp, nếu không được lọc tốt có thể ảnh hưởng đến

hoạt động của các máy điện xoay chiều, gây nhiễu sóng thông tin liên lạc.
Với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, khoa học máy tính, các b
ộ biến đổi bán
dẫn công suất lớn như thyristror, IGBT…Van thyristor trở thành phần tử chính của
các trạm biến đổi. Các thiết bị biến đổi ngày nay có kích thước trở nên gọn và giá
thành giảm. vì vậy truyền tải điện HVDC trở nên hấp dẫn hơn.
5

Sự kết hợp giữa 2 hệ thống HVDC và HVAC là một vấn đề mới trong hệ
thống truyền tải mà chúng ta phải giải quyết. Giải quyết được vấn đề giao tiếp giữa
2 hệ thống, bài toán phân bố công suất trong hệ thống truyền tải khi kết hợp giữa
HVDC và HVAC thì sẽ nâng cao khả năng điều khiển linh hoạt, tin cậy trong mọi
điều kiện vận hành củ
a hệ thống truyền tải điện.
2. Nội dung nghiên cứu của đề tài
Giới thiệu một cách tổng quan về công nghệ truyền tải HVDC và mô hình hóa
hệ thống truyền tải HVDC.
Phân tích các đặc điểm kinh tế và kỹ thuật của công nghệ HVDC để chúng ta
có thể đánh giá một cách toàn điện các ưu nhược điểm của công nghệ HVDC. So
sánh tính kinh tế và kỹ thuật của truyền t
ải HVDC và HVAC.
Nghiên cứu mối quan hệ giao tiếp giữa 2 hệ thống truyền tải HVDC và
HVAC.
Ứng dụng chương trình xử lý toán học Matlab giải quyết bài toán giao tiếp và
phân bố công suất trong hệ thống truyền tải khi có đường dây HVDC.
3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Giải quyết bài toán phân bố công suất của hệ thống HVDC có 2 đầu. Những
phân tích đánh giá chỉ mang tính gợi mở, việc xây dựng các chỉ tiêu kinh tế - kỹ
thuật có thể thực hiện được với thời gian nghiên cứu lâu dài và có sự hợp tác của
nhiều cơ quan liên quan.

4. Điểm mới của đề tài
Việc sử dụng công nghệ truyền tải HVDC ở Việt Nam vẫn chưa được chú ý
đến nhiều. Mặc dù vậy trong lĩnh vực nghiên cứu truyền tải điện năng thì không thể
không đề cập đến truyền tải HVDC.
Vì v
ậy tất cả các vấn đề liên quan đến HVDC chúng ta đều phải giải quyết, mà
vấn đề giao tiếp giữa HVDC và HVAC và phân bố công suất trong hệ thống truyền
tải điện khi kết nối đường dây HVDC vào hệ thống truyền tải điện AC là một trong
những vấn đề cần giải quyết để hệ thống truyền tải hoạt động ổn định, linh hoạt và
hiệ
u quả.
6

5. Giá trị thực tiễn của đề tài
Giới thiệu trên quan điểm khoa học về việc đánh giá, so sánh và lựa chọn sử
dụng HVDC theo các phân tích kinh tế và kỹ thuật.
Giải quyết vấn đề trong giao tiếp giữa HVDC và HVAC, giải quyết vấn đề
phân bố công suất trong hệ thống truyền tải, từ đó nâng cao được ưu điểm trong
mạng truyền tải khi kết hợp hai hệ
thống truyền tải HVDC và HVAC.
6. Kết cấu của đề tài
Tên đề tài: “Khảo sát phân bố công suất trong hệ thống điện có đường dây HVDC”
Nội dung của Luận văn được trình bày gồm có các chương sau:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ truyền tải điện HVDC
Chương 2: Nguyên lý hoạt động của hệ thống HVDC
Chương 3: So sánh giữa truyền tải điện HVDC và HVAC
Chương 4: Phân bố công suất trong h
ệ thống truyền tải
Chương 5: Kết luận

7

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI ĐIỆN HVDC

1.1 Lịch sử phát triển công nghệ truyền tải điện một chiều
Điện một chiều (DC) được phát minh ra bởi Thomas Alva Edison (1847-
1931), hệ thống truyền tải điện đầu tiên là hệ thống điện một chiều, công suất thấp
và điện áp thấp.
Năm 1929, các kỹ sư của công ty ASEA (Allmana Svenska Electriska
Aktiebolaget) Thụy Điển đã nghiên cứu và phát triển hệ thống van hồ quang th
ủy
ngân trong việc đóng cắt tần số lưới sử dụng trong việc truyền tải điện một chiều
với công suất và điện áp cao. Các thử nghiệm đầu tiên được tiến hành tại Thụy Điển
và Mỹ vào năm 1930 để kiểm tra hoạt động của các van hồ quang thủy ngân trong
quá trình chuyển đổi chiều truyền tải và thay đổi tần số.
Truyền tải
điện cao áp một chiều (HVDC – High Voltage Direction Current)
có những ưu điểm vượt trội hơn so với hơn so với truyền tải HVAC trong những
trường hợp đặc biệt. Ứng dụng thương mại đầu tiên của truyền tải HVDC là giữa
đất liền Thụy Điển - đảo Gotland vào năm 1954. Đây là hệ thống van hồ quang thủy
ngân đầu tiên với công suất truyền tải 20MW và tổng chiề
u dài 98km sử dụng cáp
ngầm vượt biển. Kể từ đó, truyền tải HVDC đã có sự phát triển gia tăng về số
lượng.
Sự ra đời của khóa Valve Thyristor đã làm cho truyền tải HVDC ngày càng trở
nên thu hút hơn. Năm 1972, các van thể rắn được ứng dụng đầu tiên tại Canada
thuộc tỉnh New Brunswick và Quebec. Van Thyristor ngày nay đã trở thành thiết bị
chuẩn cho các trạm biến đổi DC. Sự phát triển gần đây trong thi

ết bị chuyển đổi đã
làm cho kích thước cũng như chi phí đầu tư được giảm đáng kể và độ tin cậy của nó
được cải thiện đáng kể. Những phát triển này đã dẫn đến sự sử dụng rộng rãi hơn
của truyền tải HVDC. Tại Bắc Mỹ, tổng công suất của các liên kết HVDC năm
1987 là hơn 14.000MW[1]. Cho đến thời gian gần đây cùng với s
ự phát triển của
các linh kiện bán dẫn công suất lớn đã thúc đẩy truyền tải HVDC đến những thành
8

công vượt bật với đường dây lớn hơn 2000km, 800kV DC lưỡng cực, lớp Thyristor
Classic, công suất 64000MW[13] tại Xiangjiaba – Shanghai, Trung Quốc và thời
gian xây dựng kỷ lục 1 năm.
Tính đến nay, sự phát triển của công nghệ HVDC đã trải qua các thế hệ van
như: Van hồ quang thuỷ ngân (1954), Thyristor thế hệ 1 (1970) Thyristor thế hệ 2
(1980), Transistor – IGBT (2000). Kể từ năm 2000 trở đi công nghệ truyền tải cao
áp một chiều với công nghệ hiện đại c
ủa linh kiện bán dẫn với tên gọi mới cho công
nghệ chuyển đổi là HVDC Light[19].
Trên thế giới đã có 79 công trình truyền tải điện 1 chiều được xây dựng (trong
đó có 33 trạm Back to Back, 46 đường dây truyền tải), có 6 công trình sẽ vận hành
giai đoạn từ nay đến năm 2010 (2 dự án ở Mỹ, 1 Trung Quốc, 1 Na Uy – Hà Lan, 1
Australia và 1 Estonia – Phần Lan). Hiện có 14 hạng mục đường dây siêu cao áp 1
chiều 500kV đang vận hành trên thế giới trong đó 5 ở Trung Quốc, 3
ở Ấn Độ, 4 ở
Mỹ và Canada. Chiều dài trung bình của 1 đường dây là 1174 km, công suất tải
khoảng từ 1500 đến 3000 MW[9].
Bảng 1.1 Danh sách liệt kê các công trình đường dây truyền tải HVDC được xây
dựng, vận hành và dự kiến vận hành trên thế giới từ 2010 đến nay[20]
Tên
Cáp

ngầm
(km)
Dây trên
không
(km)
Điện áp
(kV)
Công
suất
(MW)
Năm Loại Ghi chú
Xiangjiaba-
Shanghai
2071 ±800 6400 2010 Thyr
ABB,
Siemens,
NR
(Protetion
&
Control)
Yunnan -
Guangdong
1418 ±800 5000 2010 Thyr Siemens
Ningxia -
Tianjing
3000 2010 Thyr


Hulunbeir -
Liaoning

920 ±500 3000 2010 Thyr
ABB,
NR
(Protetion
& Control)
BritNed 245 450 1000
2010
*
Thyr Siemens
9

StoreBælt 56 400 600
2010
*
Thyr
Trans Bay
Cable

85 200 400 2010
IGBT

Siemens
&
Pirelli

Caprivi Link 970 350 300 2010
IGBT


North Shaanxi -

Shandong
3000 2011 Thyr
Shandong -
East B2B
1200 2011 Thyr
Melo B2B 500 2011 Thyr
Cometa 247 250 400 2011 Thy
r

Fenno-Skan 2 200 103 500 800 2011 Thyr
Sumatera - Jawa
700 500 3000 2011 Thy
r

Jindo - Jeju 119 250
200
(2x)
2011 Thyr Alstom
Jinping - East
China(Sunan)
2100 ±800 7200 2012 Thyr
NR
(Protetion
&
Control)
Biswanath-
Agra


1825 800 6000

2012
*
Thyr ABB
Rio Madeira
Transmission
system
2375 ±600
2 x
3150
2013
-14
Thyr
ABB
&
Alstom
Mundra -
Haryana
960 500 2500 2012 Thyr


North -
Central B2B
1000 2012 Thyr
Rio Madeira
Back-to-back
station

2 x
400
2013 Thyr

HVDC
BorWin2
200 300 800 2012
IGBT

East West
Interconnector
40 570 350 700 2012 Thyr
Xiluodo -
Guangdong
130 500 2012
Jinhong - Thailand
1286 ±500 6400 2013 Thy
r

Ridgefield B2B
(Hudson Project)
3000 2013 Thyr
Akhaltsikhe
B2B
185 185 2013 Thyr