Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ biến đổi cấu trúc module trong hệ thống truyền tải HVDC plus

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGUYỄN TUẤN NGHĨA

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI
CẤU TRÚC MODULE TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI HVDC-PLUS

Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. PHẠM VIỆT PHƢƠNG

HÀ NỘI - 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều
khiển cho bộ biến đổi cấu trúc module trong hệ thống truyền tải HVDC-Plus” do tôi
tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Phạm Việt Phƣơng. Các số liệu và
kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành đồ án này tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh
mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu
phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 17 tháng 03 năm 2015
Học viên thực hiện

Nguyễn Tuấn Nghĩa

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC HÌNH VẼ
LỜI NÓI ĐẦU
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI CAO ÁP MỘT
CHIỀU HVDC ............................................................................................................... 2
1.1. Giới thiệu chung .................................................................................................... 2
1.2. Các loại cấu hình chính của hệ thống HVDC ..................................................... 14
1.2.1. Sơ đồ mạch điện một chiều ..........................................................................14
1.2.2. Bộ biến đổi Back-to-Back ............................................................................14
1.2.3. Truyền tải khoảng cách dài đơn cực ............................................................15
1.2.4. Truyền tải khoảng cách dài lưỡng cực .........................................................15
1.3. Các bộ biến đổi thường dùng trong hệ thống HVDC ......................................... 17
1.4. Nhiệm vụ của luận văn. ....................................................................................... 19
CHƢƠNG 2. CẤU TRÚC VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ MODULE
MMC ............................................................................................................................. 21
2.1. Mô tả cấu trúc bộ biến đổi đa mức Modular Multilevel Converter (MMC)....... 21
2.2. Các phương pháp điều chế trong MMC .............................................................. 26
2.2.1. Phương pháp dịch mức sóng mang (CD-PWM) ..........................................27
2.2.2. Phương pháp Sub-harmonic PWM. ..............................................................29
CHƢƠNG 3. MÔ HÌNH HỆ THỐNG HVDC PLUS CỦA SIEMENS ................. 32
3.1. Hệ thống HVDC-PLUS của hãng Siemens dùng cấu trúc MMC ...................... 32
3.2. Thông số mô phỏng của hệ thống ....................................................................... 35
3.2.1. Tính toán sơ bộ máy biến áp phía trước chỉnh lưu ......................................36
3.2.2. Tính toán sơ bộ máy biến áp phía sau nghịch lưu........................................37

CHƢƠNG 4. MÔ HÌNH HÓA VÀ XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN
CHO HỆ THỐNG BỘ BIẾN ĐỔI MMC .................................................................. 39
4.1. Mô hình hóa MMC.............................................................................................. 40
4.2. Các bộ điều khiển vòng ngoài của MMC (outter control).................................. 42
4.2.1. Mạch vòng khóa pha ....................................................................................43
4.2.2. Mạch vòng điều khiển dòng điện .................................................................46
4.2.3. Mạch vòng điều khiển công suất tác dụng và phản kháng ..........................48
4.2.4. Bộ điều khiển điện áp một chiều ..................................................................49
4.3. Phương pháp điều khiển vòng trong của MMC ................................................. 50
4.3.1. Các phương pháp điều khiển........................................................................51
4.3.2. Phân tích tính ổn định của các SM ...............................................................55
4.4. Tính toán thông số các mạch vòng điều khiển ................................................... 59
4.4.1. Thông số mạch điều khiển vòng trong .........................................................59
4.4.2. Thông số mạch điều khiển vòng ngoài ........................................................60
CHƢƠNG 5. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG HVDC PLUS SỬ DỤNG BỘ BIẾN ĐỔI
MMC ............................................................................................................................. 61
5.1. Tính toán thông số mạch lực. ............................................................................. 61
5.1.1. Cách chọn tụ .................................................................................................61
5.1.2. Cách chọn cuộn cảm ....................................................................................62
5.2. Tính toán thông số các mạch vòng điều khiển ................................................... 63
5.2.1. Thông số mạch điều khiển vòng trong .........................................................63
5.2.2. Thông số mạch điều khiển vòng ngoài ........................................................64
5.3. Kết quả mô phỏng ............................................................................................... 64
5.3.1. Kết quả khi MMC hoạt động ở trạng thái định mức. ...................................64
5.3.2. Mạch điều chỉnh cân bằng vòng trong .........................................................69
5.3.3. Mạch điều chỉnh công suất...........................................................................72
5.3.4. Bộ điều khiển điện áp một chiều ..................................................................75
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 79

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

MMC

Modular Multilevel Converter

Bộ biến đổi đa mức cấu trúc
module

HVDC

High Voltage Direct Current

Hệ thống dòng một chiều điện áp
cao

SM

Sub-module

Các module bộ biến đổi thành phần

PWM

Pulse-Width Modulation

Luật điều chế độ rộng xung

PD-PWM

Phase Disposition

Luật sóng mang cùng pha

POD-PWM

Phase Opposition Disposition

Luật sóng mang ngược pha

APOD-PWM Alternate Phase Opposition

Luật sóng mang kết hợp

Disposition
PS-PWM

LS-PWM

CCC

Phase Shifted - Pulse Witdth

Điều chế độ rộng xung bằng dịch

Modulation

pha sóng mang

Level Shifted - Pulse Witdth

Điều chế độ rộng xung bằng dịch

Modulation

mức sóng mang

Capacitor comutated converter

Bộ biến đổi sử dụng tụ điện chuyển
mạch

LCC

Line comutated converter

Bộ biến đổi sử dụng chuyển mạch
đường dây

VSC

Voltage Source Converter

Bộ biến đổi điện áp


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. So sánh số linh kiện trong một pha của 4 dạng nghịch lưu trên......... 19
Bảng 2.1.Trạng thái làm việc của một SM ......................................................... 25

Bảng 4.1. Các hệ số K của bộ điều khiển............................................................ 59
Bảng 4.2. Các hằng số thời gian.......................................................................... 60
Bảng 4.3. Thông số mạch điều khiển vòng ngoài ............................................... 60
Bảng 5.1. Thông số bộ biến đổi MMC................................................................ 61
Bảng 5.2. Các hệ số K của bộ điều khiển............................................................ 63
Bảng 5.3. Các hằng số thời gian.......................................................................... 63
Bảng 5.4. Thông số mạch điều khiển vòng ngoài ............................................... 64


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Tổng giá trị dựa vào khoảng cách ......................................................... 3
Hình 1.2. Cột điện giữa HVDC và HVAC............................................................ 5
Hình 1.3. Sơ đồ của hệ thống HVDC-Classic ....................................................... 5
HVDC-Classic. ...................................................................................................... 6
Hình 1.4. Ứng dụng của HVDC-Classic theo từng năm ....................................... 6
Hình 1.5. Dự án Neptune RTS .............................................................................. 7
Hình 1.6. Dự án Ballia-Bhiwadi............................................................................ 7
Hình 1.7. Dự án BritNed ....................................................................................... 8
Hình 1.8. Dự án Cometa........................................................................................ 8
Hình 1.9. So sánh thiết kế của HVDC-Plus và HVDC-Classic ............................ 9
Hình 1.10. Dự án Trans Bay Cable ..................................................................... 10
Hình 1.11. Dự án INELFE .................................................................................. 10
Hình 1.12. Dự án BorWin2 ................................................................................. 11
Hình 1.13. Các dự án sử dụng hệ thống HVDC-Plus của Siemmens ................. 11
Hình 1.14. Dự án đầu tiên sử dụng hệ thống HVDC-Plus ứng dụng bộ biến đổi
đa mức MMC ...................................................................................................... 12
Hình 1.15. Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi đa mức MMC. ........................................ 13
Hình 1.16. Sơ đồ mạch điện một chiều của hệ thống HVDC. ............................ 14
Hình 1.17. Sơ đồ bộ biến đổi Back-to-Back. ...................................................... 14
Hình 1.18. Sơ đồ truyền tải khoảng cách dài đơn cực nối đất. ........................... 15

Hình 1.19. Sơ đồ truyền tải khoảng cách dài đơn cực có dây trung tính. ........... 15
Hình 1.20. Sơ đồ cấu hình lưỡng cực với dây trung tính nối đất. ....................... 16
Hình 1.21. Sơ đồ cấu hình lưỡng cực làm việc đơn cực. .................................... 16
Hình 1.22. Sơ đồ cấu hình lưỡng cực có dây trung tính. .................................... 17
Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát cấu trúc MMC ........................................................... 21
Hình 2.2.Các dạng cấu trúc của SM (Cell) ......................................................... 22
Hình 2.3. Cấu trúc Half-brigde Cell .................................................................... 23
Hình 2.4. Dòng điện chảy trong SM theo mỗi trạng thái đóng cắt của van và tụ
............................................................................................................................. 25
Hình 2.5. Sơ đồ kỹ thuật điều chế PWM ............................................................ 27
Hình 2.6. Sóng mang bố trí cùng pha.................................................................. 28


Hình 2.7. Sóng mang bố trí ngược pha ............................................................... 28
Hình 2.8. Sóng mang bố trí ngược pha xen kẽ.................................................... 29
Hình 2.9. Phương pháp dịch pha sóng mang ...................................................... 30
Hình 2.10. Sóng mang hình răng cưa .................................................................. 31
Hình 2.11. Sóng mang hình tam giác .................................................................. 31
Hình 3.1. Dự án Trans Bay Cable ....................................................................... 32
Hình 3.2. Sơ đồ địa hình của dự án Trans Bay Cable ......................................... 33
Hình 3.3. Hệ thống HVDC PLUS ....................................................................... 33
Hình 3.4. Cấu hình truyền tải đơn cực ................................................................ 34
Hình 4.1 Hệ thống điều khiển HVDC-Plus......................................................... 39
Hình 4.2.Cấu trúc chi tiết các mạch vòng điều khiển của HVDC-Plus .............. 40
Hình 4.3. Mạch điện tương đương một pha của bộ biến đổi MMC ................... 40
Hình 4.4. Sơ đồ khối hệ thống đồng bộ pha truyền thống 1PLL ........................ 43
Hình 4.5. Sơ đồ khối hệ thống đồng bộ pha truyền thống 3PLL ........................ 44
Hình 4.6. Đồng bộ với khung tọa độ quay. ......................................................... 45
Hình 4.7. Cấu trúc mạch vòng khóa pha ............................................................. 46
Hình 4.8. Cấu trúc điều khiển dòng điện ............................................................ 47

Hình 4.9. Sơ đồ khối điều khiển dòng điện......................................................... 47
Hình 4.14. Bộ điều khiển công suất .................................................................... 49
Hình 4.15. Sơ đồ khối điều khiển điện áp một chiều .......................................... 49
Hình 4.16. Sơ đồ mạch vòng điều khiển điện áp trung bình pha u ..................... 51
Hình 4.18. Sơ đồ nguyên lý điều khiển theo phương pháp Arm – balancing
control .................................................................................................................. 54
Hình 4.19. Quan hệ giữa biểu thức (4.44), (4.45) và góc ................................ 57
Hình 5.1. Dạng điện áp pha (va, vb, vc) và điện áp dây (vab, vbc, vac) ................... 65
Hình 5.2. Dạng điện áp nhánh trên (VU) và nhánh dưới (VL) khi chưa lọc. ....... 65
Hình 5.3. Dạng điện áp nhánh trên (VU) và nhánh dưới (VL) sau khi qua lọc. .. 66
Hinh 5.4. Dạng điện áp trên tụ VC1 và VC5. ........................................................ 66
Hình 5.5. Dạng điện áp trung bình tụ nhánh trên (VCAUAV) và dưới
(VCALAV) .......................................................................................................... 67
Hình 5.6. Dạng điện áp dòng điện tuần hoàn (iZ). .............................................. 67
Hình 5.7. Đồ thị công suất tác dụng (P). ............................................................. 68
Hình 5.8. Đồ thị công suất phản kháng (Q). ....................................................... 68
Hình 5.9. Đồ thị dạng sóng điều chế của SM1 (Va1*). ........................................ 69
Hình 5.10. Dạng điện áp trên tụ VC1 và VC5 khi Vcref = 70 kV............................ 69
Hình 5.11. Đồ thị dạng sóng điều chế của SM1 (Va1*) Vcref = 70 kV. ................ 70


Hình 5.12. Dòng điện sai lệch (iZ)....................................................................... 70
Hình 5.13. Công suất phản kháng Q. .................................................................. 71
Hình 5.14. Công suất tác dụng P. ........................................................................ 71
Hình 5.15. Dạng điện áp pha (va, vb, vc) và điện áp dây (vab, vbc, vac). ................ 72
Hình 5.16. Đồ thị đáp ứng công suất tác dụng P. ............................................... 73
Hình 5.17. Đồ thì đáp ứng công suất phản kháng Q. .......................................... 73
Hình 5.18. Dạng điện áp pha (va, vb, vc) và điện áp dây (vab, vbc, vac). ................ 74
Hình 5.19. Đồ thì dòng điện tuần hoàn (iZ). ........................................................ 74
Hình 5.20. Đồ thị đáp ứng công suất tác dụng P. ............................................... 75

Hình 5.21. Đồ thì đáp ứng công suất phản kháng Q. .......................................... 75
Hình 5.22. Dạng điện áp pha (va, vb, vc) và điện áp dây (vab, vbc, vac). ............... 76
Hình 5.23. Đồ thì dòng điện tuần hoàn (iZ). ........................................................ 76
Hình 5.24. Dạng điện áp trên tụ VC1 và VC5. ...................................................... 77


LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, các hệ thống truyền tải điện năng một chiều
(HVDC) ngày càng được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng triển khai nhiều trong
thực tế bởi những ưu điểm vượt trội về tính năng kinh tế và kỹ thuật so với các hệ
thống truyền tải xoay chiều truyền thống. Có được điều này chính là nhờ những thành
tựu vượt bậc trong lĩnh vực bán dẫn công suất và kỹ thuật điều khiển các bộ biến đổi
công suất lớn. Đối với các hệ thống truyền tải điện một chiều truyền thống đã được
triển khai, các bộ biến đổi công suất phần lớn có cấu hình đa mức sử dụng các van bán
dẫn Thyristor, GTO tuy có khả năng chịu được điện áp cao nhưng lại hạn chế về khả
năng điều khiển dòng công suất hai chiều, khả năng vận hành linh hoạt với các cấp
điện áp khác nhau v.v… Hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC-Plus do hãng
Siemen đề xuất sử dụng bộ biến đổi công suất cấu trúc module (MMC) với những ưu
điểm vượt trội về khả năng điều chỉnh dòng công suất, khả năng vận hành linh hoạt ở
các cấp điện áp khác nhau, cấu trúc mạch lực đơn giản đã khắc phục được những
nhược điểm của các hệ thống HVDC thông thường.
Từ lí do đó, tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cho
bộ biến đổi cấu trúc module trong hệ thống truyền tải HVDC-Plus” với sự hướng
dẫn của thầy giáo TS. Phạm Việt Phƣơng. Sau đây em xin trình bày đồ án của mình

Hà Nội, ngày 17 tháng 03 năm 2015
Học viên thực hiện

1

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI CAO ÁP
MỘT CHIỀU HVDC
1.1.

Giới thiệu chung
HVDC là hệ thống truyền tải điện năng, sử dụng dòng điện một chiều để truyền

tải năng lượng. Không giống với hệ thống HVAC đang được sử dụng rộng rãi, với
khoảng cách truyền tải xa hệ thống HVDC có giá thành và tổn hao công suất ít hơn.
Với một khoảng cách ngắn, chi phí chi cho một hệ thống HVDC vẫn được xem xét so
với hệ thống HVAC do những lợi ích khác của HVDC.
Trong hệ thống HVAC các biến áp xoay chiều có khả năng biến đổi điện áp và
cho phép chuyển tải các cấp công suất khác nhau và các cấp cách điện khác nhau với
cùng một đơn vị và có tổn hao thấp. Cấu tạo của thiết bị đơn giản và đòi hỏi bảo trì
thấp. Thêm vào nữa, một máy phát điện đồng bộ 3 pha có ưu điểm hơn một máy phát
điện 1 chiều về nhiều mặt. Nhờ có ưu điểm này, công nghệ dòng xoay chiều đã được
giới thiệu và phát triển từ rất sớm trong các hệ thống truyền tải điện. Và đã sớm được
công nhận là một trong những công nghệ phù hợp để phát điện, truyền tải và phân phối
Tuy nhiên, các bộ truyền tải cao áp dòng xoay chiều có một số những nhược điểm mà
qua đó tạo cơ hội công nghệ truyền tải điện một chiều phát triển.
a. Về vấn đề kỹ thuật:
- Các thành phần trở kháng và điện kháng trên các đường dây và cáp truyền
tải xuất hiện trong hệ thống truyền tải xoay chiều làm thay đổi lượng công
suất truyền tải và khả năng truyền tải của lưới bị thay đổi. Còn với hệ
thống truyền tải một chiều thì không bị giới hạn bởi khả năng này.
- Một hệ thống truyền tải dòng một chiều cho phép truyền tải công suất giữa
các lưới điện xoay chiều với cùng tần số hoặc các mạng khác nhau không
thể đồng bộ vì một vài lý don.

2


- Kết nối giữa 2 lưới điện hoặc nhiều lưới điện có cùng tần số như trong một
hệ thống mạng sẽ bị ảnh hưởng các vấn đề ngắn mạch và vấn đề về truyền
tải các cấp công suất khác nhau.
Ví dụ trong thực với một cáp nối dài trên 40km thì hệ thống đươc ứng dụng
thiết thực nhất về mặt kỹ thuật trong trường hợp này chính là hệ thống HVDC bởi vì
dòng nạp trên dây dẫn dòng xoay chiều là rất cao. Do có lợi thế lớn nhất này nên dây
dẫn một chiều sẽ là giải pháp duy nhất dùng để truyền tải trên biển hay trong các thành
phố lớn.
b. Về vấn đề kinh tế:
Trong thực tế về truyền tải, trước khi đưa ra quyết định cuối cùng về việc chọn
lựa giữ hệ thống HVDC hay HVAC thì cần có sự nghiên cứu tính khả thi của nó. Như
trong hình 1.1 (thảm khảo trong tài liệu Hay-High Voltage Direct Current
Transmission - Proven Technology for Power Exchange) đưa ra đồ thị so sánh giá trị
giữa hai bộ truyền dẫn dòng xoay chiều và một chiều. Gồm 3 yếu tố: Chi phí các trạm
đầu cuối, chi phí dây dẫn, giá trị tổn thất công suất.

Hình 1.1. Tổng giá trị dựa vào khoảng cách

3


Như trên hình 1.1 ta thấy:
- Khoảng cách bộ truyền dẫn càng xa thì chi phí cho từng km dây dẫn của
hệ thống HVDC thấp hơn đáng kể chi phí của hệ thống HVAC.
- Tổn thất công suất trên đường dây thấp hơn so với HVAC cùng điện áp.
- 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.
Với những ưu điểm trên thì hệ thống HVDC đang dần thay thế nhanh chóng các
hệ thống HVAC. Nhưng vì chính vì còn mới và đang trên đà phát triển nên hệ thống
cũng có nhưng nhược điểm:
- Hệ thống HVDC hoạt động kém tín cậy hơn do hệ thống điều khiển rất
phức tạp.
- Chi phí cho các trạm biến đổi rất đắt và khả năng chịu quá tải kém hơn
HVAC.
- Ở một khoảng cách ngắn, tổn hao của trạm biến đổi cao hơn so với HVAC
- Giá của bộ biến đổi không thể được bù lại bởi tiết giảm giá xây dựng
đường dây.
- Hệ thống điều khiển cần rất nhiều bộ phận khác nhau, thường dành riêng
cho một trạm, và chưa được tiêu chuẩn hóa như HVAC do công nghệ
HVDC đang thay đổi nhanh chóng
c. Vấn đề về môi trường
Hành lang tuyến của đường dây HVDC nhỏ hơn HVDC như hình 1.2: thiết kế
cột điện gọn nhẹ hơn do chỉ có 2 dây dẫn như trong hình dưới thì với hành lang của
cột điện tuyến đường dây DC cần nhỏ hơn hẳn cột điện tuyến đường dây AC trong
cùng điện áp như hành lang truyền tải của hệ thống truyền tải một chiều loại 500kV thì
chỉ cần 60m. Con với hành lang truyền tải của hệ thống truyền tải xoay chiều thì cần 2
lộ loại 500kV trong vòng 100m. Và ảnh hưởng của điện trường tĩnh đến sức khỏe con

4


người 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.

Hình 1.2. Cột điện giữa HVDC và HVAC

Tuy nhiên trong thực tế, với một vài trường hợp khoảng cách ngắn thì ta vẫn sử
dụng hệ thống HVDC chấp nhận tổn hao về kinh phí đầu tư lúc đầu để đổi lấy những
giá trị mà nó mang lại về sau.
Vào những năm 1920 – 1940 thì hệ thống truyền tải điện một chiều được điều
khiển bằng van Hồ quang – thủy ngân, các van này cần một mạch hỗ trợ bên ngoài ép
dòng điện bằng không do đó có thể cắt được van và hệ thống này vẫn được sử dụng
cho tới năm 1972. Vào 15/3/1979, một thế thống HVDC sử dụng thyristor nỗi giữa
Cabora Bassa and Johannesburg (1.410 km) được hoàn thành. Các thiết bị sử dụng
trong dự án được lắp đặt vào năm 1974 bới AEG, BBC và Siemens (là các đối tác dự
án). Cải tiến nhất trong đó là sử dụng các van bán điều khiển Turn-On bằng xung điều
khiển như là thyristor và sử dụng bộ biến đổi nguốn dòng (Current-Source Converter).
Ta có sơ đồ của hệ thống HVDC-Classic như hình 1.3:

Hình 1.3. Sơ đồ của hệ thống HVDC-Classic

5


Với sự ra đời của van thyristor, truyền tải điện HVDC trở nên hấp dẫn hơn. Hệ
thống HVDC đầu tiên sử dụng van thyristor thực hiện năm 1972 gồm nối kết back-toback giữa các hệ thống New Brunkswick và Quebec của Canada. Van thyristor trở
thành phần tử chính của các trạm biến đổi. Các thiết bị biến đổi ngày nay có kích
thước nhỏ gọn và giá thành giảm, hay chính là các hệ thống HVDC-Classic.
Và sự phát triển của hệ thống HVDC-Classic được thống kê theo tài liệu High
Voltage Didrect Current Transmission của Siemens:

Hình 1.4. Ứng dụng của HVDC-Classic theo từng năm
Những ứng dụng thực tế của hệ thống HVDC-Classic tiêu biểu của Siemens là
vào tháng 7/2007 dự án Neptune RTS với công suất truyền tải là 660MW nối 2 nơi là
Sayreville, NJ và Long Island, NY.

6


Hình 1.5. Dự án Neptune RTS
Tháng 3/2007 thì với dự án Ballia-Bhiwadi truyền tải công suất là 2500MW với
tổng chiều dài là 800km nối 2 tỉnh Uttar Pradesh và Rajasthan.

Hình 1.6. Dự án Ballia-Bhiwadi

7


Tháng 6/2007 dự án BritNed với chiểu dài 260km công suất 1000MW nối 2 nơi
là Isle Of Grain và Maasvlakte.

Hình 1.7. Dự án BritNed
Và dự án Cometa vào tháng 10/2007 một đường dây 2x200MW với chiều dài
250km nối Tây Ban Nha và Mallorca.

Hình 1.8. Dự án Cometa

8


Nhưng chính vì sử dụng thyristor nên nó có nhược điểm là loại bán điều khiển
tức là chỉ có thể điều khiển Turn-on bằng xung điều khiển và hầu hết các hệ thống
HVDC-classic đều sử dụng bộ biến đổi nguồn dòng nên nó mang cả nhược điểm của
bộ biến đổi nguồn dòng.
Và để khắc phục những nhược điểm của hệ thống HVDC-Classic thì đã cải tiến
và đưa ra đầu tiên hệ thống HVDC-Plus vào năm 1997 ở Tây Ban Nha với những ưu

điểm là sử dụng van điều khiển hoàn toàn là IGBT có thể Turn-on và Turn-off bằng
xung điều khiển và sử dụng bộ biến đổi nguồn áp. Ưu điểm của bộ biến đổi nguồn áp:
sự trao đổi cả hai dòng công suất tác dụng và công suất phản kháng được kiểm soát
một cách độc lập, khả năng phản ứng tốt, linh hoạt theo với yêu cầu của lưới điện, hoạt
động tin cậy ngay trong cả hệ thống cũ hay thụ động và khả năng bố trí trạm linh hoạt
và nhỏ gọn
Hệ thống HVDC-Plus có cấu tạo cơ bản giống với HVDC-Classic như hình 1.3
nhưng được thay bởi van IGBT và bộ biến đổi nguồn dòng. Ưu điểm của hệ thống
HVDC-Plus là nhỏ gọn hơn hệ thống cũ như hình 1.9:

Hình 1.9. So sánh thiết kế của HVDC-Plus và HVDC-Classic

9


Các dự án dùng hệ thống HVDC-Plus là vào tháng 9/2007 dự án Trans Bay
Cable truyền tải công suất 400MW nối 2 thành phố là Pittsburg và San San Francisco.

Hình 1.10. Dự án Trans Bay Cable
Năn 2014, dự án INELFE, nối từ Baixas, Pháp tới Santa Llogaia, Tây Ban Nha
với công suất là 2x1000MW.

Hình 1.11. Dự án INELFE
Vào 2013 dự án Borwin 2 tại Diele, Đức tổng chiều dài là 200km với công suất
truyền tải là 800MW.

10


Hình 1.12. Dự án BorWin2

Các dự án này được chỉ ra trong hình 1.13:

Hình 1.13. Các dự án sử dụng hệ thống HVDC-Plus của Siemmens
Vào năm 2010, hệ thống HVDC-Plus dựa trên một kỹ thuật biến đổi đa mức
được gọi là bộ biến đổi đa mức kiểu mô-đun (Modular Multilevel Converter - MMC)
của Siemens đã lần đầu tiên được đưa vào sử dụng trong thực tế trong dự án truyền tải

11


điện Trans Bay Cable nối hai địa điểm và Vịnh phía Tây và thành phố San Francisco
tại Mỹ như trong hình 1.14:

Hình 1.14. Dự án đầu tiên sử dụng hệ thống HVDC-Plus ứng dụng bộ biến đổi đa mức
MMC
Bộ biến đổi đa mức MMC như hình 1.15 được xây dựng từ các module thành
phần đồng nhất nhưng lại có khả năng điều khiển độc lập được từng module. Các
module thành phần trong MMC có thể có cấu trúc nửa cầu, hoặc có cấu trúc cầu.

12


Hình 1.15. Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi đa mức MMC.
MMC là cấu trúc mở, có khả năng cho phép mở rộng. Mức điện áp của MMC
phụ thuộc vào số lượng của các mô-đun thành phần, thậm chí MMC có thể được sử
dụng trong các hệ thống truyền tải điện năng cao áp. Trong cấu trúc của MMC không
thực hiện theo cách mắc nối tiếp một loạt các van bán dẫn với nhau, do đó có thể tránh
được sự phức tạp trong quá trình điều khiển đồng bộ hóa các van. Đồng thời lại có thể
giảm tổn thất của bộ biến đổi xuống mức rất thấp. Điều này có được là do tần số đóng
cắt thấp trong mỗi mô-đun thành phần và điện áp trên các van trong mỗi mô-đun cũng

ở mức thấp. Mỗi mô-đun thành phần sẽ thực hiện việc đóng cắt ở các thời điểm khác
nhau do đó bộ biến đổi có thể đạt được hiệu suất cao cũng như làm giảm độ méo sóng
hài.
Với lượng công suất đủ lớn, khoảng cách truyền đủ xa truyền tải cao áp
một chiều cao áp sẽ chiếm ưu thế về chi phí đầu tư và tổn thất truyền tải so với điện
áp xoay chiều 3 pha truyền thống.

13


1.2. Các loại cấu hình chính của hệ thống HVDC
1.2.1. Sơ đồ mạch điện một chiều
Các dạng của bộ bộ biến đổi HVDC được phân biệt bằng sự sắp xếp các phần
tử một chiều của chúng. Mạch biến đổi tương đương là một mạch điện một chiều được
đơn giản hóa từ một cực của hệ thống truyền tải HVDC như hình 1.16. Sơ đồ dưới chỉ
ra là 2 hệ thống xoay chiều được nối với nhau qua bộ truyền tải một chiều.

Id

±

Ud1

±

Ud2

Hình 1.16. Sơ đồ mạch điện một chiều của hệ thống HVDC.
1.2.2. Bộ biến đổi Back-to-Back
Đặc trưng của bộ biến đổi Back-to-Back như hình 1.17 là bộ chỉnh lưu và bộ

nghịch lưu được nằm trong cùng một trạm. Theo sơ đồ dưới 2 hệ thống xoay chiều
được nối với nhau qua van IGBT và qua bộ truyền tải điện một chiều.

Hình 1.17. Sơ đồ bộ biến đổi Back-to-Back.
Bộ biến đổi Back-to-Back được sử dụng phần lớn trong truyền tải điện năng
giữa các lưới điện gần nhau mà không hòa đồng bộ được. Chúng cũng được sử dụng
trong cùng một lưới điện để đạt được một công suất nhất định.

14


1.2.3. Truyền tải khoảng cách dài đơn cực
Để truyền tải điện với một khoảng cách rất xa trong thực thế. Đường dây đơn lộ
là giải pháp khả thi nhất (dây trung tính nối đất hình 1.18).

Hệ thống điện AC

Hình 1.18. Sơ đồ truyền tải khoảng cách dài đơn cực nối đất.
Trong nhiều trường hợp, cơ sở hạ tầng và môi trường không cho phép sử dụng
các điện cực nối đất. Nên phải sử dụng đường dây hai lộ như hình 1.19 mặc dù bị tăng
tổn thất và chi phí.

Hình 1.19. Sơ đồ truyền tải khoảng cách dài đơn cực có dây trung tính.
1.2.4. Truyền tải khoảng cách dài lƣỡng cực
Cấu hình lưỡng cực là sự kết hợp điểm đất của hai cấu hình đơn cực (monopolar). Hoạt động với một dòng điện không cân bằng rất nhỏ. Cấu hình này được sử
dụng khi công suất truyền tải lớn, vượt quá khả năng của cấu hình đơn cực.
Trong quá trình bảo dưỡng, ta có thế cách li một bộ trong khi bộ kia vẫn có thể
truyền tải một phần công suất. ưu điểm chính khi sử dụng cấu hình lưỡng cực thay vì
hai bộ cấu hình đơn cực là không cần thêm dây trung tính, tổn hảo, chi phí ít hơn…,
tuy nhiên nhược điểm không có dây trung tính, các thiết bị đi kèm làm ảnh hưởng đến

các bộ biến đổi.

15


a) Cấu hình lưỡng cực với dây trung tính nối đất.

Hình 1.20. Sơ đồ cấu hình lưỡng cực với dây trung tính nối đất.
Cấu hình như trên hình 1.20 là cấu hình được sử dụng rộng rãi nhất trong
truyền tải điện năng, được đánh giá cao với sự linh hoạt, ổn định khi xảy ra sự cố hoặc
bảo trì.
Hệ thống điện AC

Hệ thống điện AC

Hình 1.21. Sơ đồ cấu hình lưỡng cực làm việc đơn cực.
Một nhánh truyền tải được cách ly trong khi điện năng vẫn được truyền đi bằng
nhánh dưới như hình 1.21.
b) Cấu hình lưỡng cực có dây trung tính.
Khi các điện cực bị ảnh hưởng bởi môi trường, khoảng cách truyền tải ngắn ta
có thể dùng dây trung tính.

16