nghiên cứu về truyền tải cao áp một chiều

Tài liệu tham khảo

Chương 1
KHÁI QUÁT VỀ TRUYỀN TẢI MỘT CHIỀU CAO ÁP
1.1. Đặt vấn đề
1.1.1. Tại sao phải truyền tải một chiều?
Trong công cuộc xây dựng và phát triển đất nước ngày càng hiện đại hóa, ngày
nay cùng với việc đáp ứng nhu cầu năng lượng quốc gia mà còn cần phải nâng cao
chất lượng, giảm tổn hao và tiết kiệm năng lượng và giảm giá thành sản phẩm đang là
xu thế phát triển mới đặc biệt là ngành điện một ngành công nghiệp quan trọng hàng
đầu hiện nay
Để xây dựng ngành điện toàn diện bền vững đáp ứng các tiêu chí trên, cần có
một hệ thống điện đủ lớn. Hệ thống truyền tải phải tin cậy, ổn định nâng cao chất
lượng điện năng. Xu thế ngành năng lượng điện trong giai đoạn mới tập trung vào
những điểm sau:
- Đa dạng hóa các nguồn năng lượng bằng việc xây dựng các nguồn năng
lượng mới, năng lượng tái tạo (như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng
sinh khối, năng lượng sóng biển …)
- Thành lập thị trường điện
- Liên kết giữa các vùng, các quốc gia
- Do đặc thù của nguồn năng lượng sơ cấp lên các nhà máy điện nói chung và
hầu hết các nhà máy điện chính được thiết kế xa phụ tải. Như vậy vấn đề truyền tải đã
một lượng công suất điện lớn đã được đặt ra từ lâu, có hai phương pháp chính thường
được sử dụng là HVAC và HVDC để giải quyết bài toán trên. Nhưng vấn đề không
những phải truyền tải một công suất lớn với độ tin cậy và độ ổn định cao giữa các
vùng miền xa hơn là giữa các quốc gia mà còn tính tới các giải pháp đồng bộ giữa các
nguồn điện phân tán khác nhau hay các hệ thống điện có khác nhau về điện áp và tần
số… Vì vậy vấn đề truyền tải HVDC hay UHVDC được nghiên cứu trong đồ án này.
Vấn đề truyền tải HVDC đã được thực hiện từ thế kỷ 20 nhưng còn hạn chế
nhiều mặt, không tạo ra được nhiều ưu điểm so với HVAC. Cùng với sự phát triển
của điện tử công suất và kỹ thuật công nghệ phát hiện đại các vấn đề còn vướng mắc

Trịnh Thị Mai - Điện K11

Page 1


Tài liệu tham khảo

của truyền tải HVDC không còn trở ngại lớn và đang dần được khắc phục, mang lại
các giải pháp cho những bài toán tối ưu hóa truyền tải điện năng đi xa.
Những đường truyền tải một chiều đầu tiên đã được xây dựng từ năm 1950 (ở
Nga) với chiều dài 116km, điện áp 200 kV
Hiện nay trên thế giới có nhiều quốc gia đã xây dựng đường dây truyền tải một
chiều, công suất đến 3000 MW ( Brazin, Canada ), chiều dài từ 64 km ( Anh ) đến
1700 km (Zaire ), điện áp từ 42 kV ( Mỹ ) đến ± 500 kV ( Mỹ, Ấn Độ )
Bảng 1.1: Một số đường dây truyền tải cao áp một chiều
HVDC Supplier Year Com Rating (MVDC Voltange (kV) Line and / or Cable (km) Location
Gotland Id
A
1954
20
± 100
96
Sweden
English Channed
A
1961
160
± 100
64
England- France

Volgograd-Donbass
Inter- Island
Konti-skan I
Sakuma
Sardinia
Vancouver I
Pacitic Intertie
Nelson River Id
Kingsnorth
Gotland
Ed River
Skagerdak I
Skagerdak II
Skagerdak III
Vancouver II
Shin-Shinano
Square Buste
David A.Hamil
Cahora Bassa
Nelson River II
CU
Hokkaido-Honshu

A
A
A
I
A
JV
I

I
A
C
A
A
A
C
D
C
C
J
J
A
E
E

1965
1965
1965
1965
1967
1968
1970

720
600
230
300
200
312

1440

± 400
± 250
250
2x125
200
260
± 400

470
609
180
B-B
413
69

Rusia
New Zeland
Nmark- Sweden
Japan
Italy
Canada

1982
1972
1975
1970
1972
1976

1977
1993 cst
1977
1977

1600
1620
640
30
320
250
500
440
370
300

1362

U.S.A

± 450
± 260
± 150
2x80
250
± 250
350
-280
2x125

892
82
96
B-B
240

Canada
England
Sweden
Canada
Rway-Denmark
Rway-Denmark
Rway-Denmark
Canada

1992 cst
1977
1977
1978
1978

600
500
100
1920
900

3x125
±250
50

±533
±250

B-B
749
B-B
1360

1985
1979
1979

1800
1000
150

±500
±400
125

1980

300

250

240
77

Japan

U.S.A
U.S.A
Mbique-S. Africa

930

Canada

710

U.S.A

168

Japan

1993 cst
600
±250
HVDC Supplier Year Com Rating (MVDC Voltange (kV) Line and / or Cable (km) Location
Inga-Shaba
A
1982
560
± 500
1700
Zaire

Trịnh Thị Mai - Điện K11

Page 2


Tài liệu tham khảo
Pac Intertie upgrade

A

1984

2000

± 500

1362

U.S.A

Blackwater

B

1985

200

57

B-B

U.S.A

Highgate
Madawaska
Miles City
Broken Hill

A
C
C
A

1985
1985
1985
1986

200
350
200
40

± 56
140
±82
2x17(±

B-B
B-B
B-B

B-B

U.S.A
Canada
U.S.A
Australia

Intermountain
Cross- Channel

A

1986

1920

833)
± 500

784

U.S.A

(Les Mandarins)
(Sellindge)

H
I

1986

1986

1000
2000

± 270
72
2 x ±

France
England

DesCantons-Comerford
Sacoi

C
H

1986
1986

690
200

270
± 450
200

Canada- U.S.A
Corsica Island

1992 cst

300

172
415

Italy

Itaipu II
Sidney (Virginia Smith)
Gezhouba-Shanghai

A
G
B-

1987
1988
1989

3150
200
600

± 600
55.5
500

805
B-B
1000

Brazil
U.S.A
China

Konti-Skan II

G
A

1990
1988

1200
300

± 500
285

150

Sweden-Denmark

*Gía thành
Gía cả

AC

DC
Điểm cân bằng

Khoảng cách
Hình 1.1: So sánh chi phí giữa dòng xoay chiều với một chiều
1.1.2. Ưu nhược điểm của truyền tải một chiều
a) Lý do kinh tế

Trịnh Thị Mai - Điện K11

Page 3


Tài liệu tham khảo

- Suất đầu tư cho đường dây truyền tải một chiều thấp hơn xoay chiều do thiết
kế cột của đường dây một chiều gọn nhẹ hơn. Thông thường khi tính toán kinh tế đối
với các dự án truyền tải, suất đầu tư cho đường dây một chiều bằng 0,8 lần đường dây
xoay chiều cùng điện áp
- 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
như từ trường trái đất và không cần được tính toán kỹ như đường dây xoay chiều lên
hành lang tuyến của đường dây DC nhỏ hơn AC, chi phí cho đền bù , giải phóng mặt
bằng thấp hơn.
- Tổn thất công suất trên đường dây truyền tải của hệ thống DC thấp hơn AC
cùng điện áp
- 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 cần được bù đắp bởi chi
phí giảm được của đường dây một chiều và tổn thất điện năng. Khoảng cách càng dài
thì truyền tải một chiều càng có lợi, từ đó xuất hiện một điểm cân bằng , tại đó 2 hệ

thống DC và AC có tổng chi phí tương đương. Điểm cân bằng thường được tính theo
chiều dài và khoảng cách từ 600-800 km. Đối với hệ thống HVDC sử dụng cáp vượt
biển thì khoảng cách của điểm cân bằng ngắn hơn nhiều so với đường dây trên
không.
b) Lý do kỹ thuật:
- Đường dây cao ápmột 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 đổi
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 đó cáp HVDC có thể truyền tải hàng
trăn km ( lên đến 600 km ).
Trịnh Thị Mai - Điện K11

Page 4


Tài liệu tham khảo

- Hệ thống HVDC có khả năng cách ly sự cố trên 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 định hệ thống điện.
* Ưu điểm:
- Tăng cường năng lực của điện lưới hiện tại trong trường hợp dây bổ sung là
khó khăn hoặc chi phí để cài đặt
- Kết nối một nhà máy từ xa để tạo lưới điện phân phối

- Giảm chi phí. HVDC cần dây dẫn ít và không cần hỗ trợ nhiều giai đoạn (bù
dọc)
- Tạo thuận lợi cho truyền dẫn giữa các quốc gia khác nhau mà sử dụng điện
áp AC khác nhau về giá trị và tần số
- Đồng bộ hóa AC sản xuất bằng các nguồn năng lượng tái tạo

Trịnh Thị Mai - Điện K11

Page 5


Tài liệu tham khảo

* Nhược điểm:
- Những khó khăn của HVDC trong biến đổi, chuyển mạch, điều khiển, vận
hành và bảo trì.
- Các yêu cầu biến đổi tĩnh là tốn kém và khả năng quá tải hạn chế. Ở khoảng
cách truyền tải nhỏ hơn các chi phí trong biến đổi tĩnh có thể lớn hơn trong truyền tải
AC. Các chi phí của bộ biến đổi có thể không được bù đắp bằng cách cắt giảm chi phí
xây dựng đường dây và mất dòng thấp hơn.
- HVDC là chưa đáng tin cậy và có khả năng thấp hơn so với các hệ thống AC,
chủ yếu do các thiết bị chuyển đổi. Hệ thống đơn cực đã có sẵn của khoảng 98,5%,
với khoảng một phần ba thời gian chết là do lỗi đột xuất.
1.2. Quá trình phát triển của công nghệ truyền tải
1.2.1. Lịch sử phát triển công nghệ truyền tải điện
- Thomas Alava Edison (1847-1931) đã phát minh ra điện một chiều, hệ thống
truyền tải điện đầu tiên là hệ thống dòng điện một chiều. Tuy nhiên, ở điện áp thấp
không thể truyền tải công suất điện một chiều đi khoảng cách xa. Đầu thế kỷ 20 với
sự phát triển của công nghệ máy biến áp và động cơ cảm ứng truyền tải điện xoay
chiều dần trở lên phổ biến.

- Năm 1929 các kỹ sư của công ty ASEA (Thụy Điển) đã nghiên cứu và phát
triển hệ thống Valve hồ quang thủy ngân điều khiển mạng lưới đa diện cực sử dụng
trong truyền tải điện một chiều với công suất và điện áp cao. Các thử nghiệm đầu tiên
được tiến hành tai Thụy Điển và Mỹ năm 1930 để kiểm tra hoạt động của cac Valve
hồ quang thủy ngân trong quá trình chuyển đổi chiều truyền tải và thay đổi tần số.
- Sau chiến tranh thế giới lần thứ hai, nhu cầu điện năng tăng cao đã khuyến
khích nghiên cứu truyền tải điện một chiều, nhất là khi phải truyền tải công suất đi xa
hoặc bắt buộc phải sử dụng cáp ngầm. Năm 1950 đường dây truyền tải một chiều thử
nghiệm điện áp 200kV, chiều dài 116 km được đưa vào vận hành. Đường dây cao áp
một chiều đầu tiên được đưa vào vận hành thương mại năm 1954 tại Thụy Điển,
truyền tải 20 MW điện áp 100 Kv, chiều dài 98 km sử dụng cáp ngầm vượt biển nối
giữa đảo và đất liền.

Trịnh Thị Mai - Điện K11

Page 6


Tài liệu tham khảo

- Công nghệ truyền tải điện một chiều luôn gắn liền với công nghệ điện tử
công suất. Những năm 1960 hệ thống Valve thể rắn trở thành hiện thực khi ứng dụng
Thyristor vào truyền tải điện một chiều. Năm 1972 các Vale thể rắn đã được ứng
dụng lần đầu tiên tại Canada với công suất 320 MW điện áp 80 kV. Điện áp vận hành
lớn nhất hiện nay của đường dây truyền tải một chiều là 600 kV, truyền tải công suất
6300 MW, chiều dài 796 km.
- Ngày nay truyền tải dòng điện một chiều điện áp cao là phần không thể thiếu
trong hệ thống điện của nhiều quốc gia trên thế giới. Truyền tải điện cao áp một chiều
luôn được cân nhắc khi phải tải lượng công suất lớn đi khoảng cách xa, liên kết giữa
các hệ thống điện không đồng bộ hoặc xây dựng đường cáp điện vượt biển. Với

lượng công suất đủ lớn, khoảng cách đủ xa, truyền tải cao áp một chiều sẽ chiếm ưu
thế về chi phí đầu tư và tổn thất truyền tải so với dòng điện xoay chiều 3 pha truyền
thống.
1.2.2. Các thành tựu mới đạt được của công nghệ truyền tải điện
Từ những năm 1980 trở lại đây, sự phát triển của khoa học công nghệ đã làm
cho công nghệ truyền tải điện điện có những bước tiến vượt bậc.
a) Công nghệ siêu dẫn
- Công nghệ siêu dẫn nhiệt độ cao đang có xu hướng phát triển nhanh chóng.
Dây dẫn sử dụng vật liệu siêu dẫn chịu nhiệt có thể cho phép dẫn dòng lớn gấp 2-3
lần dây dẫn thường. Vật liệu siêu dẫn hiện được sử dụng trong cáp điện, điện áp lên
đến 138 kV. Đường dây cáp siêu dẫn dài nhất hiện nay là 600 m, điện áp 138 kV tải
574 MVA
- Các đường dây trên không sử dụng dây nhôm lõi composite có thể thay thế
dây nhôm lõi thép thông thường nhưng công suất truyền tải gấp 2 lần rất phù hợp cho
việc cải tạo hệ thống truyền tải điện trong các thành phố lớn và những nơi hạn chế về
hành lang tuyến.

Trịnh Thị Mai - Điện K11

Page 7


Tài liệu tham khảo

b) Xu hướng thu nhỏ quy mô hệ thống điện
- Ở khu vực Bắc Mỹ tổng công suất hệ thống liên kết phía Đông là 600.000
MW, công suất hệ thống liên kết phía Tây là 130.000 MW. Khi một phía bị sự cố trên
lưới sẽ có nhiều khả năng lan truyền sang phía bên kia. Hiện đang có xu hướng chia
hệ thống lớn thành các hệ thống điện nhỏ hơn giúp cho việc quản lý vận hành tốt
hơn. Các hệ thống nhỏ sẽ liên kết với nhau bằng các đường dây cao áp một chiều

- Hiện nay công ty ABB của Thụy Sỹ đã phát triển thành công hệ thống truyền
tải điện một chiều quy mô nhỏ cỡ vài chục MW ( HVDC Light ) với chi phí có thể
chấp nhận được. Hệ thống HVDC Light sử dụng công nghệ Transitor hai cực cổng
cách ly (IGBT) có chi phí thấp hơn nhiều so với việc sử dụng Thyristor truyền thống.
Công nghệ IGBT còn sử dụng trong các trạm chuyển đổi có vai trò như nguồn áp,
giúp giảm các sự cố hệ thống xoay chiều như dao động điện áp, sống hài, bù công
suất phản kháng.
c) Máy biến đổi tần số (VFT)
- Hãng GE Energy đã phát triển máy biến tần có khả năng thay đổi tần số và
góc pha điện áp một cách liên tục. Cùng với ứng dụng của HVDC, máy biến tần quay
có thể sử dụng để liên kết hai hệ thống điện không đồng bộ. Hiện máy biến tần quay
đang sử dụng để liên kết hai hệ thống điện không đồng bộ.
- Ngoài liên kết các hệ thống không đồng bộ, hiện máy biến tần quay đang phát
triển công nghệ ứng dụng truyền tải công suất giữa các hệ thống điện đồng bộ, trong
trường hợp này VFT đóng vai trò như bộ điều chỉnh góc pha
d) Điều khiển dòng sự cố
- Cùng với sự gia tăng của quy mô hệ thống điện dòng ngắn mạch cũng tăng
lên dẫn đến yêu cầu cần phải thay thế thiết bị đang vận hành. Điều này đòi hỏi chi phí
lớn. Có một cách khác để không phải nâng cấp hay thay thế thiết bị đó là sử dụng các
bộ giơi hạn dòng sự cố ( Fault current limiter- FCL ) là sự phối hợp hoạt động giữa
cuộn dây cảm kháng thấp và cáp siêu dẫn chịu nhiệt
- Các công ty sản xuất vật liệu điện siêu dẫn của Mỹ cũng đang phát triển loại
cáp điện sử dụng bộ ổn định trở kháng cao. Loại cáp này có đặc điểm khi ở trạng thái
bình thường dòng điện được chạy trong lớp vật liệu siêu dẫn nhưng khi xảy ra sự cố
Trịnh Thị Mai - Điện K11

Page 8


Tài liệu tham khảo

lớp trở kháng cao sẽ hoạt động và cách ly sự cố, khi hết sự cố lớp siêu dẫn lại hoạt
động như bình thường.
- Nhìn chung sự phát triển của công nghệ điện tử công suất có ảnh hưởng rất
lớn tới công nghệ truyền tải điện và quan niệm truyền tải. Truyền tải điện 1 chiều
đang dần được chú ý vì những ưu điểm trong cách ly sự cố xoay chiều, liên kết các hệ
thống điện không đồng bộ, khả năng tải công suất lớn, ít hành lang tuyến và chi phí
đầu tư ngày càng giảm.
- Hiện nay công nghệ truyền tải điện 1 chiều đang được nỗ lực phát triển.
1.2.3. Siêu cao áp một chiều
a) Dòng điện siêu cao áp một chiều giúp phát huy tiềm năng thủy điện
Khai thác năng lượng từ các nguồn tái tạo, từ sức mạnh tự nhiên của dòng
nước, là một trong các niềm hy vọng mà thế giới, (đặc biệt là Trung Quốc và Ấn Độ),
đang đặt vào nhằm đáp ứng nhu cầu điện năng trong tương lai, khi mà việc giảm sự
phụ thuộc vào nhiên liệu hoá thạch và cắt giảm phát thải cacbon điôxit ngày càng
được chú trọng hơn.
Tuy nhiên cho đến nay, vẫn có trở ngại đáng kể ngăn cản việc phát huy tiềm
năng thuỷ điện, đó là khoảng cách. Những nguồn thuỷ năng tốt nhất nhiều khi ở cách
xa các trung tâm dân cư và công nghiệp hàng mấy trăm kilômét, là nơi nhu cầu điện
năng tăng trưởng mạnh nhất. Cho tới tận gần đây, đưa điện năng từ các nhà máy điện
vượt qua khoảng cách trên 1.000 km hoặc xa hơn vẫn là bất khả thi về kinh tế bởi tổn
hao truyền tải là quá lớn.
Công nghệ UHVDC hứa hẹn làm thay đổi tất cả những vấn đề đó, vì nó cho
phép truyền tải có hiệu quả điện năng đi xa tới 3.000 km.

Trịnh Thị Mai - Điện K11

Page 9

Tài liệu tham khảo

Hình ảnh tia lửa phóng điện với điện áp trên 2000 kV, chiều dài hơn 10m
b) Nâng điện áp lên cao hơn nữa để giảm tổn hao
Công nghệ UHVDC nâng điện áp lên một bước đáng kể, từ mức HVDC tiêu
chuẩn ±500 kV được sử dụng ở châu Á và đã được đưa vào áp dụng trên hai thập kỷ
nay, lên ±800 kV, và giảm tổn thất truyền tải từ mức điển hình là 10% xuống còn 7%.
Việc cắt giảm mạnh tổn thất truyền tải này – tương đương 192 MW đối với
đường dây công suất 6.400 MW, tức là bằng 96 chiếc tuabin gió công suất 2 MW khiến cho việc sản xuất điện năng tại những vùng xa xôi hẻo lánh ở Trung Quốc, Ấn
Độ, Braxin và châu Phi, giờ đây đã trở thành khả thi. Đó là những vùng có các nguồn
thuỷ điện khổng lồ cho đến nay vẫn chưa khai thác được.
Các nước chính được hưởng lợi từ công nghệ UHVDC sẽ là Trung Quốc và Ấn
Độ bởi vì các quốc gia này đang phải vật lộn để đảm bảo nguồn năng lượng tin cậy.
Ấn Độ có kế hoạch trong 10 năm tới sẽ xây dựng 5 đường dây UHVDC, công suất
truyền tải mỗi đường dây từ 6.000 đến 8.000 MW. Trung Quốc đang có kế hoạch
trong 10 năm tới sẽ xây dựng mỗi năm một đường dây UHVDC, công suất mỗi
đường dây từ 5.000 đến 6.400 MW. Đường dây đầu tiên dự kiến sẽ đưa vào vận hành
thương mại vào năm 2011. Ngoài ra ở Braxin và Nam châu Phi cũng có kế hoạch xây
dựng các đường dây UHVDC 800 kV.

Trịnh Thị Mai - Điện K11

Page 10


Tài liệu tham khảo

Sử dụng công nghệ UHVDC hứa hẹn những lợi ích lớn lao. Một mạch dẫn
UHVDC 6.400 MW có thể cung cấp đủ điện đáp ứng nhu cầu cho khoảng 50 triệu
người dân Ấn Độ, hoặc 14 triệu người dân Trung Quốc, nếu tính theo mức tiêu thụ

trung bình đầu người ở các quốc gia này.
Hơn nữa, UHVDC tiết kiệm đáng kể về tài chính, khoảng 30%, so với công
nghệ 500 kV một chiều hoặc công nghệ 800 kV xoay chiều truyền thống. Sở dĩ tiết
kiệm được như vậy là vì giảm được tổn hao đường dây và từ đó tiết kiệm được cho
trạm biến đổi điện và thiết bị đóng cắt điện xoay chiều có liên quan.
Một khoản tiết kiệm nữa không thể bỏ qua đối với UHVDC, đó là nhờ giảm
đáng kể nhu cầu về hành lang tuyến, bởi vì khi đó có thể giảm xuống chưa bằng một
nửa so với các phương pháp truyền tải điện thay thế. Với UHVDC, chiều rộng của
tuyến đường dây (tức là hành lang truyền tải) là nhỏ nhất. Để truyền dẫn cùng một
công suất, các phương pháp truyền tải truyền thống sẽ yêu cầu từ hai đường dây trở
lên, hành lang truyền tải sẽ rộng hơn rất nhiều.
Khác với đường dây truyền tải điện xoay chiều, đường dây HVDC có trường từ
hầu như không dao động. Điều đó có nghĩa là đường dây HVDC, khác với đường dây
xoay chiều cùng cấp, có thể dễ dàng đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt hơn về trường
từ (<0,4 μT) được áp dụng ngày càng rộng rãi tại các thị trường phát triển.
Cần lưu ý rằng cũng có thể nâng công suất truyền tải điện xoay chiều bằng
cách sử dụng dòng công nghệ khác mang tên FACTS (flexible AC transmission
system - hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt). Các công nghệ này có thể sử
dụng để duy trì hoặc nâng cao độ ổn định điện áp và độ tin cậy lưới điện, giảm tổn
thất chung về điện năng.

Trịnh Thị Mai - Điện K11

Page 11


Tài liệu tham khảo

Chương 2
PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN TẢI MỘT CHIỀU CAO ÁP

2.1. Nguyên lý truyền tải một chiều
2.1.1. Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.1: Hình dạng sóng điện áp và dòng điện trong quá trình chuyển đổi
Qúa trình chỉnh lưu:
Đây là mạch chỉnh lưu cầu 3 pha sử dụng thyristor, phía chỉnh lưu cho phép
dòng công suất đi từ phía xoay chiều sang phía một chiều. Bộ chỉnh lưu làm việc với
góc mở 00 < α < 900.
Tại thời điểm Ua dương nhất thì T1,T6 dẫn
Ub dương nhất thì T3,T4 dẫn
Uc dương nhất thì T5,T2 dẫn
Các van thyristor làm việc như những chiếc khóa đóng mở, nó sẽ mở và dẫn
dòng khi có xung kích hoạt vào cực Gate (IG > 0 ) và UAK > 0. Mỗi thyristor chỉ dẫn
theo 1 chiều duy nhất và nó khóa khi UAK < 0 và IG = 0.
Quá trình chuyển mạch:
Là qúa trình chuyển từ chỉnh lưu sang nghịch lưu của các bộ chuyển đổi công
suất cao áp một chiều dựa trên quá trình chuyển mạch tự nhiên. Các vale hoạt động
như những thiết bị chuyển mạch sao cho điện áp xoay chiều đầu vào lần lượt được
Trịnh Thị Mai - Điện K11

Page 12


Tài liệu tham khảo

đóng mở để có đầu ra là điện áp q chiều. Đồng thời với quá trình chuyển mạch của bộ
chuyển đổi ở 2 đầu ra trạm nghịch lưu đấu nối vào hệ thống AC pải là điện áp xoay
chiều 3 pha sạch ( không sóng hài ).
Khi 1 vale được mở nó sẽ bắt đầu dẫn dòng trong khi vale tiếp theo có dòng
giảm dần về 0 và đóng. Trong quá trình chuyển mạch dòng điện sẽ lần lượt chạy qua

đồng thời 2 vale xác định. Dòng điện chạy qua vale không thể thay đổi đột ngột vì sự
chuyển mạch phải qua cuộn dây máy biến áp. Điện kháng của cuộn đây máy biến áp
đóng vai trò là điện kháng chuyển mạch. Trong quá trình chuyển mạch, dòng điện
không phải hình sin sẽ được sinh ra ở bộ chỉnh lưu, đồng thờikhông hình sin cũng sẽ
cung cấp cho hệ thống xoay chiều phía nghịch lưu.
Cả 2 trường hợp này dòng điện đều chậm pha hơn so với điện áp xoay chiều.
Các dòng điện không sin này gồm cả dạng sóng tần số cơ bản và các sóng hài có tần
số cao hơn. Các sóng hài cần phải được loại bỏ khi vào hệ thống điện xoay chiều.
Điều này được thực hiện nhờ các bộ lọc phía xoay chiều, cho phép điện áp ra hầu như
không có sóng hài(ULr, ULi). Đối với đường dây liên kết 1 chiều sử dụng phương thức
chuyển mạch tự nhiên thì dòng công suất chỉ có thể truyền theo 1 hướng cùng với
hướng của dòng điện. Các Valve chỉ cho phép dẫn dòng theo 1 chiều nhất định.
Hướng công suất chỉ có thể đổi chiều khi thay đổi cực tính của điện áp 1 chiều. Để có
phương thức vận hành trao đổi công suất theo 2 chiều (tức là chuyển đổi vai trò của
bộ chỉnh lưu và nghịch lưu) thì cần tác động vào hệ thống điều khiển xung kích hoạt
valve ở cả 2 đầu chỉnh lưu.
Qúa trình nghịch lưu: Làm việc vơi góc mở 900 < α < 1800.
Hệ thống điện xoay chiều 3 pha của lưới điện sau MBA sẽ cung cấp điện áp
xoay chiều 3 pha đặt lên các vale của bộ nghịch lưu. Điện áp xoay chiều này sẽ đặt
lên thyristor các điện áp thuận và điện áp ngược gây ra quá trình chuyển mạch giữa
các vale giống như là phía chỉnh lưu. Điều kiện để các vale mở và dẫn dòng là giá trị
tuyệt đối của điện áp trên đường dây 1 chiều phải lớn hơn trị số tuyệt đối của trị trung
bình điện áp chuyển mạch phía nghịch lưu
2.1.2. Cấu hình hệ thống HVDC
Trịnh Thị Mai - Điện K11

Page 13


Tài liệu tham khảo

Các kết nối DC được phân làm ba loại chính:
•Kết nối đơn cực

•Kết nối lưỡng cực

•Kết nối đồng cực.

a) Cấu hình đường dây và trạm chuyển đổi
Căn cứ vào hiệu quả tối ưu trong từng trường hợp cụ thể, các cầu chỉnh lưu
HVDC và đường dây truyền tải có thể được lựa chọn xắp xếp theo 1 trong 2 cấu
hình: đơn cực và lưỡng cực.
- Cấu hình đơn cực (Monopolar configuration):
Cấu hình cơ bản của một kết nối đơn cực được trình bày trong hình H.2.2. Hệ
thống này dùng một dây dẫn, thường có cực tính âm. Đường trở về có thể dùng đất
hay nước. Các khảo sát về chi phí thường đi đến việc dùng hệ thống này nhất là
truyền tải bằng cáp ngầm. Cấu hình này là giai đoạn thứ nhất của việc phát triển
sang cấu hình lưỡng cực.

Trịnh Thị Mai - Điện K11

Page 14


Tài liệu tham khảo

Hình 2.2: Cấu hình đơn cực
Thay vì dùng đường trở về qua đất, có thể dùng đường trở về bằng kim loại
trong trường hợp điện trở đất quá lớn và có thể gây nhiễu loạn đến các công trình
ngầm bằng kim loại khác. Dây dẫn kim loại tạo đường về có điện áp thấp.

Kết nối lưỡng cực được trình bày trong H 2.3. Kết nối này có hai dây, một
dương và một âm. Mỗi đầu có đều có bộ biến đổi có điện áp định mức bằng nhau
mắc nối tiếp về phía điện một chiều. Điểm nối giữa hai bộ biến đổi được nối đất.
Lúc bình thường, dòng điện trên hai cực bằng nhau, dòng qua đất bằng không. Hai
cực có thể vận hành độc lập nhau. Nếu một cực bị cô lập do sự cố trên dây dẫn, cực
kia vẫn có thể hoạt động với đất là đường trở về và mang một nửa tải.

Hình 2.3 : Cấu hình đơn cực, sử dụng bộ chỉnh lưu 12 xung
Trong sơ đồ đơn cực, chỉ cần 1 đường dây dẫn điện nối giữa 2 trạm
chuyển đổi, dòng về qua đất. Mỗi đường dây trên không 500kV DC hiện nay có
khả năng tải 1500 MW. Sơ đồ này có ưu điểm gọn nhẹ, chi phí đường dây ít, có thể
mở rộng sang cấu hình 2 cực, tuy nhiên, sơ đồ đơn cực có độ tin cậy cung cấp
điện không cao.

Trịnh Thị Mai - Điện K11

Page 15


Tài liệu tham khảo

- Cấu hình lưỡng cực (bipolar configuration):

Hình2.4: Cấu hình lưỡng cực, sử dụng bộ chỉnh lưu 12 xung
Trong cấu hình lưỡng cực (hai cực âm – dương), các trạm chuyển đổi
được nối với nhau bởi 2 dây dẫn có điện thế trái dấu, điểm trung tính được nối đất.
Ở cấp điện áp ± 500 kV, khả năng tải của đường dây trên không một chiều
hiện nay khoảng 3000 MW.
Theo quan điểm chống sét, đường dây lưỡng cực được xem như hiệu quả
tương đương với đường dây xoay chiều hai mạch. Trong vận hành bình thường có ít

nhiễu do họa tần đến các công trình lân cận so với đường đơn cực. Việc đảo chiều
công suất được thực hiện bằng cách thay đổi cực tính của hai cực thông qua điều
khiển.
Trong trường hợp dòng điện tản qua đất không được thuận lợi hay không
thực hiện tốt việc nối đất do điện trở đất quá cao thì có thể dùng một dây dẫn thứ ba
làm đường trở về cho dòng điện khi có một cực ngừng hoạt động hoặc khi có sự
không cân bằng lúc vận hành hai cực. Dây dẫn thứ ba yêu cầu mức cách điện thấp
và còn được dùng làm dây bảo vệ chống sét đối với đường dây trên không
Ưu điểm của cấu hình này là tính phổ biến, có độ tin cậy cung cấp điện
cao, công suất truyền tải lớn. Hầu hết các đường dây truyền tải 1 chiều hiện nay
đều là đường dây lưỡng cực, khi sự cố 1 mạch thì hệ thống hoạt động như cấu hình
đơn cực, dòng về qua đất.
Nhược điểm là chi phí xây dựng đường dây và trạm chuyển đổi cao hơn cấu
Trịnh Thị Mai - Điện K11

Page 16


Tài liệu tham khảo

hình đơn cực.
Từ 2 cấu hình cơ bản trên, có các kiểu đấu nối hệ thống truyền tải điện
một chiều như sau:
1- Trạm Back-to-Back:
Sử dụng khi 2 hệ thống xoay chiều được đấu nối với nhau ở cùng một địa
điểm, không cần đường dây truyền tải giữa các cầu chỉnh lưu – nghịch lưu, có thể
dùng cấu hình đơn cực hoặc lưỡng cực. Trạm Back-to-Back thường ứng dụng khi
đấu nối 2 hệ thống điện khác tần số cơ bản, hoặc các hệ thống điện không đồng bộ.
Vì các bộ biến đổi nằm tập trung nên thuận lợi cho việc điều khiển bảo dưỡng thiết
bị.

2-

Kiểu truyền tải giữa 2 trạm:

Được sử dụng khi phương án xây dựng đường dây truyền tải cao áp 1 chiều
tỏ ra kinh tế nhất khi đấu nối 2 trạm chuyển đổi ở 2 vị trí cách xa nhau. Đây là kiểu
truyền tải 1 chiều phổ biến nhất hiện nay. Mỗi mạch đường dây một chiều ±500 kV
(2 cực – bipole) có khả năng tải khoảng 3000 MW, thông thường sử dụng đường
dây trên không, tải lượng công suất lớn đi khoảng cách rất xa. Các đường cáp
ngầm cao áp một chiều thường dùng để truyền tải điện qua biển.
Loại cáp phổ biến nhất là cáp dầu (oil-filled cable) và cáp đặc (solid cable).
Trong nhiều trường hợp, cáp đặc sẽ kinh tế hơn vì chất cách điện được cấu tạo
từ các lớp giấy tẩm dầu có độ nhớt cao. Ngày nay có thể thiết kế cho cáp đặc ở
độ sâu khoảng 1000m và không gặp giới hạn về khoảng cách. Loại cáp dầu có
chất cách điện là dầu có độ nhớt thấp điền đầy trong cáp và luôn làm việc với 1
áp suất nhất định. Khoảng cách lớn nhất cho loại cáp dầu khoảng 60 km.

Trịnh Thị Mai - Điện K11

Page 17


Tài liệu tham khảo

Đối với khoảng cách rất dài và đặc biệt là truyền tải điện năng ra biển, với một
đường truyền tải và khép mạch qua điện cực mặt đất / biển sẽ là giải pháp khả thi
nhất.
Trong nhiều trường hợp, cơ sở hạ tầng hiện có hoặc hạn chế môi trường khó
khăn trong việc sử dụng các điện cực đất. Trong trường hợp này sử dụng mô hình thứ

2 dùng một đường cáp kim lại nhỏ hơn để khép mạch mặc dù tăng chi phí và tổn thất.

3-

Kiểu truyền tải giữa nhiều trạm:

Khi có từ 3 trạm chuyển đổi trở lên ở các vị trí địa lý khác nhau đấu vào
cùng một hệ thống 1 chiều, có thể đấu nối tiếp hoặc song song. Khi tất cả các
trạm có cùng điện áp đấu nối thì gọi là kiểu đấu song song, sử dụng khi công suất
trạm lớn hơn 10% tổng công suất trạm chỉnh lưu. Nếu một hoặc nhiều bộ chuyển
đổi được đấu nối tiếp vào một hay cả 2 cực thì ta có kiểu đấu nối tiếp, ứng dụng
khi công suất trạm nhỏ hơn 10% tổng công suất trạm chỉnh lưu. Chi phí dành cho
các trạm thêm vào là rất lớn, do đó kiểu truyền tải nhiều trạm rất khó đạt được các
chỉ tiêu kinh tế.
4-

Kiểu nối bộ tổ máy:

Hệ thống truyền tải 1 chiều được đấu nối vào ngay đầu ra của máy phát
Trịnh Thị Mai - Điện K11

Page 18


Tài liệu tham khảo

điện, thích hợp với các máy phát thủy điện và tua bin gió vì có thể đạt hiệu suất
cao nhất. Điện năng xoay chiều nhận được phía nghịch lưu sẽ có tần số cơ bản
50 Hz (hoặc 60 Hz) không phụ thuộc vào tốc độ tuabin.
5-

Kiểu chỉnh lưu Diode:

Ứng dụng khi công suất điện 1 chiều chỉ truyền theo 1 hướng duy nhất, hệ
thống Valve chỉnh lưu chỉ cần dùng Diode thay vì Thyristor, công suất truyền tải sẽ
được điều khiển ở phía Nghịch lưu, đặc biệt có lợi đối với kiểu nối bộ tổ máy phát
vì có thể điều khiển dòng công suất dựa vào điều khiển điện áp xoay chiều thông
qua hệ thống kích từ máy phát. Kiểu đấu nối này cần sử dụng loại máy cắt xoay
chiều tốc độ cao giữa máy phát và bộ chỉnh lưu để bảo vệ quá dòng cho Diode khi
có ngắn mạch trên đường dây 1 chiều.

Hình 2.5 : Các kiểu đấu nối hệ thống truyền tải điện 1 chiều

Trịnh Thị Mai - Điện K11

Page 19


Tài liệu tham khảo

2.1.4.Các phần tử cơ bản của hệ thống truyền tải một chiều
Các phần tử chính của hệ thống HVDC được trình bày trong hình (H.2.6)

Hình2.6: Sơ đồ nguyên lý hệ thống HVDC lưỡng cực, các phần tử chính
Bộ biến đổi: Biến đổi AC/DC (chỉnh lưu) hay DC/AC (nghịch lưu), gồm
các van mắc cầu và máy biến áp có đầu phân áp. Cầu van gồm các van cao áp
mắc theo sơ đồ 6 xung hay 12 xung. Các máy biến áp biến đổi cung cấp nguồn
điện áp ba pha với điện áp thích hợp cho cầu các van. Với cuộn dây máy biến
áp phía van không nối đất, hệ thống điện một chiều có thể được tạo nối đất
riêng, thường là bằng cách nối đất đầu dương hay đầu âm của một cầu bộ biến đổi

van.
Vale thyristor: Cấu trúc của vale thyristor tùy thuộc vào ứng dụng và nhà sản
xuất, thường thì vale thyristor có cấu trúc 12 xung, ba nhóm 4 vale. Mỗi vale
thyristor gồm 1 số thyristor nhất định nối tiếp cùng với mạch phụ của chúng
( mạch điều khiển, bảo vệ, …). Giao tiếp giữa thiết bị điều khiển ở điện áp thấp và
mỗi thyristor ở điện áp cao bằng cáp quang. Các vale được làm mát bằng nước,
dầu, khí hay Freon

Trịnh Thị Mai - Điện K11

Page 20


Tài liệu tham khảo

Hình 2.7: Cấu hình nhóm vale
Máy biến áp: chuyển đổi tương ứng mức điện áp AC thành DC và chúng góp
phần vào điện kháng chuyển mạch, thường dùng loại đơn pha 3 cuộn dây tùy thuộc
vào công suất và yêu cầu vận chuyển

Hình 2.8: a) MBA HVDC truyền tải ngầm 500 MW

b) MBA 2000MW điện áp 500kV
Trịnh Thị Mai - Điện K11

Page 21


Tài liệu tham khảo

Cuộn kháng bằng phẳng: Đây là các cuộn kháng lớn có điện cảm đến 1 H
mắc nối tiếp với mỗi cực của mỗi trạm biến đổi. Công dụng của chúng bao gồm:
• Giảm các họa tần điện áp và dòng điện trên đường dây một chiều;
• Tránh sự cố chuyển mạch trong nghịch lưu;
• Tránh dòng điện trở nên không liên tục khi mang tải thấp;
• Giới hạn dòng điện trong chỉnh lưu khi xảy ra ngắn mạch trên đường một
chiều.
Bộ lọc họa tần: Bộ biến đổi sinh ra họa tần điện áp và dòng điện ở cả hai
phía xoay chiều và một chiều. Họa tần gây phát nóng tụ điện và máy phát gần đó,
còn gây nhiễu lên hệ thống thông tin. Mạch lọc do đó phải được dùng ở cả hai phía
một chiều và xoay chiều.
Nguồn cung cấp công suất kháng: Như trình bày ở các mục kế tiếp, bộ biến
đổi một chiều thực chất có tiêu thụ công suất kháng. Trong vận hành bình thường,
lượng công suất kháng tiêu thụ bằng khoảng 50% lượng công suất tác dụng
tải qua. Trong tình trạng quá độ yêu cầu về công suất kháng có thể nhiều hơn.
Đối với hệ thống xoay chiều lớn, công suất kháng được tạo ra bằng tụ bù ngang.
Phụ thuộc vào yêu cầu đặt ra cho kết nối một chiều và trên hệ thống xoay chiều mà
một phần nguồn công suất kháng có thể là máy bù đồng bộ hay máy bù tĩnh. Các tụ
điện trong mạch lọc cũng cung cấp một phần công suất kháng yêu cầu.
Điện cực: Phần lớn các trạm HVDC dùng đất làm vật dẫn trung tính trong một
thời gian ngắn. Kết nối với vật dẫn đất cần một bề mặt rộng để tối thiểu bề mật độ
dòng và giảm điện áp bề mặt. Để giới hạn dòng điện chảy vào đất dùng vật dẫn kim
loại cho dòng trở về. Dùng điện cực đất là phương án rẻ nhất.
Điểm trung tính phía bên cuộn dây đấu sao MBA chuyển đổi được nối
vào điểm trung tính của trạm. Do dòng DC trên 2 cực trong trạm HVDC
lưỡng cực không cân bằng nhau, thay vì điều khiển cân bằng dòng thì cho
dòng chảy vào đất từ điểm trung tính của trạm. Điểm trung tính nối đất của
trạm thường được đặt ở xa trạm khoảng 10 – 50 km bằng các điện cực đất
đặc biệt.
Trịnh Thị Mai - Điện K11

Page 22


Tài liệu tham khảo

Thiết kế các điện cực đất: Điện cực Anode và Cathode được thiết kế
khác nhau trong hệ thống truyền tải HVDC cáp ngầm dưới biển.
Điện cực đất nằm ngang: Bề mặt diện tích đất đủ rộng, bằng phẳng,
chất đất tương đối đồng nhất, điện cực đất nằm ngang là dạng kinh tế nhất

Hình 2.9: Mặt cắt điện cực
Hình 2.9 mô tả mặt cắt của 1 điện cực đất làm bằng sắt, nằm ngang độ sâu
trong đất khoảng 2m được nhúng trong 1 nền than cốc diện tích 0.5 x 0.5 m2

Hình 2.10: Các dạng điện cực
a) Dạng đường thẳng

d) Dạng vòng với 1 vòng thêm

b) Dạng nhiều đường thẳng

e) Dạng sao

c) Dạng vòng

f) Dạng chia

Nếu tầng đất gần mặt đất có điện trở cao, nhưng sâu phía dưới khoảng vài
chục mét là tầng đất có điện trở nhỏ, giải pháp điện cực sâu thẳng đứng được sử

dụng như hình sau:

Trịnh Thị Mai - Điện K11

Page 23


Tài liệu tham khảo

Hình 2.11: Mặt cắt của điện cực
Thiết kế và xây dựng các điện cực Cathode ngầm dưới biển cho hệ thống
HVDC đơn cực cáp ngầm không có bất kỳ trở ngại nào do không có sự ăn mòn
kim loại
Chiều dài cáp được thiết kế sao cho mật độ dòng trên bề mặt của nó gây ra 1
điện trường < 3 V/m, an toàn cho người bơi lặn trong vùng nước xung quanh.
Một điện cực ngầm dạng đường thẳng cho vận hành Anode. Các module
điện cực được làm sẵn và được đặt thấp hơn đáy biển sau đó nối vào feed cáp. Các
điện cực ngầm được phân thành các khu và được nối vào trạm HVDC bằng feed
cáp riêng biệt khi đó từ đất liền có thể giám sát được các điện cực.

Hình 2.12: Mặt cắt điện cực
Đường dây một chiều: Là đường dây trên không hay cáp ngầm. Ngoại trừ số
dây dẫn và khoảng cách giữa các dây, đường dây DC trông rất giống đường dây
AC.
Máy cắt điện xoay chiều: Để loại trừ sự cố trong máy biến áp cũng như để
đưa kết nối DC ra khỏi vận hành, máy cắt được đặt ở phía xoay chiều. Chúng
không dùng để giải trừ sự cố phía một chiều vì những sự cố này có thể được loại
trừ nhanh chóng bằng cách điều khiển bộ biến đổi.

Trịnh Thị Mai - Điện K11

Page 24


Tài liệu tham khảo

2.1.5. Bộ biến đổi và các phương trình
2.1.5.1. Mạch biến đổi
Bộ biến đổi thực hiện biến đổi AC/DC hay ngược lại và cung cấp
phương tiện để điều chỉnh dòng công suất qua đường HVDC (H.14.5.). Các
phần tử là cầu van điện tử và máy biến áp biến đổi.
a) Các đặc tính của van
Van trong bộ biến đổi là khóa điện tử có điều khiển, cho phép dẫn điện theo
một chiều từ anod sang cathod.

Hình 2.1.1: Mạch cầu toàn sóng ba pha
b) Mạch đổi điện
Phần tử cơ bản của bộ biến đổi HVDC là mạch cầu ba pha toàn sóng. Máy
biến áp đổi điện có đầu phân áp dưới tải. Cuộn dây phía xoay chiều mắc Y nối
đất, cuộn dây phía van mắc ∆ hay Y không nối đất. Mạch cầu toàn sóng ba pha
được dùng phổ biến trong bộ biến đổi HVDC vì tương thích tốt với máy biến áp
biến đổi và có điện áp ngược thấp đặt lên các van khi ngừng dẫn. Điện áp ngược
là một trong những yếu tố quan trọng để chọn các thông số định mức của van.
2.5.2 Phân tích mạch cầu toàn sóng ba pha
* Các giả thiết:
- Hệ thống xoay chiều bao gồm máy biến áp biến đổi được biểu diễn bằng
một nguồn áp lý tưởng có điện áp, tần số không đổi nối tiếp với điện kháng tản của
máy biến áp.
- Dòng một chiều Id không đổi và không gợn sóng do có cuộn kháng lọc Ld
Trịnh Thị Mai - Điện K11

Page 25