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

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 (18471931), 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 thủy
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 chiều 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 thiết 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 sự 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 của 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)

XiangjiabaShanghai
Yunnan
Guangdong
Ningxia
Tianjing

Hulunbeir
-Liaoning
BritNed

Dây trên
không
(km)

Công
suất Năm
(MW)

Loại

Ghi chú

2071

±800

6400

2010

Thyr

ABB,
Siemens,
NR

1418

±800

5000

2010

Thyr

Siemens

3000

2010

Thyr

920
245

Điện áp
(kV)

(Protetion
&
Control)

±500

3000

2010

Thyr

ABB,
NR
(Protetion
& Control)

450

1000

2010
*

Thyr

Siemens


9

StoreBælt
Trans
Cable

56

400

600

2010
*

85

200

400

2010

970

350

300

2010

IGBT

3000

2011

Thyr

1200

2011

Thyr

500
400
800
3000
200
(2x)

2011
2011
2011
2011

Thyr
Thyr
Thyr
Thyr

2011

Thyr

Bay

Caprivi Link
North Shaanxi Shandong

Shandong East B2B
Melo B2B
Cometa
Fenno-Skan 2
Sumatera - Jawa

247
200
700

Jindo - Jeju

250

40

Xiluodo
Guangdong

130

Alstom

±800

7200

2012

Thyr

(Protetion
&
Control)

1825

800

6000

2012
*

Thyr

ABB

2375

±600

2x
3150

2013

-14

Thyr

ABB
&
Alstom

960

500

2500

2012

Thyr

1000

2012

Thyr

2x
400

2013

Thyr

300

800

2012

IGBT

350

700

2012

Thyr

500

2012

6400

2013

Thyr

3000

2013

Thyr

185

2013

Thyr

570

1286

±500

Ridgefield B2B
(Hudson Project)

Akhaltsikhe
B2B

Siemens
&
Pirelli

2100

200

East

West
Interconnector

Jinhong - Thailand

119

IGBT

NR

Jinping - East
China(Sunan)
BiswanathAgra
Rio Madeira
Transmission
system
Mundra
Haryana
North
Central B2B
Rio Madeira
Back-to-back
station
HVDC
BorWin2

103

250

500
500

Thyr

185


10

HVDC
DolWin1

96

700

2013

Thyr

HVDC
HelWin1

165

320

800

2013

IGBT

Bheramara
B2B

130

250

576

2013

IGBT

158

500

2013

Thyr

HVDC
SylWin1

ABB

NR
Estlink 2
Mackinac
B2B
Railroad DC
Tie
SydVästlänke
n
Humeng
Shandong
Xiluodo
Hanzhou
Irkutsk
Beijing

±800

6400

2014

Thyr

320

864

2014

IGBT

450

650

2014

Thyr

70

200

2014

IGBT

21

150

2014

Thyr

300

2x720

20132015

IGBT

±800

6400

2015

Thyr

±800

6400

2015

Thyr

±800

6400

2015

Thyr

±800

6400

2015

Thyr

600

3000

2015

414

600

2000

2015

450

300

700

2015

IGBT

ABB

135

320

900

2015

IGBT

ABB

158

±80

100

2015

IGBT

±800

6400

2016

Thyr

205
157

197

-

Nuozhadu Guangdong
TransWest
Express
Western
HVDC Link
HVDC
NordBalt
HVDC
DolWin2

HVDC
HelWin2
Alytus B2B
HVDC Finland
- Åland
Jinsha River II East China

(Protetion
&
Control)

14

63

ABB

Alstom


11

Goupitan
Guangdong
Rock Island
Clean Line
HVDC ItalyCroatia
Humeng
Liaoning
Hami
Central China
Jinsha River
II - Fujian
Tres Amigas
SuperStation
Bakun
HVDC

805

3000

2016

Thyr

3,500

2017

Thyr

3000

2017

Thyr

±800

6400

2018

Thyr

±800

6400

2018

Thyr

±800

6400

2018

Thyr

±600

5000
670

1030

500

Labrador
-Island
Transmission
Link

36

1167

450

Shanghai
-Shensi

63

60

±50

Maritime
Transmission
Link

180

INELFE

60

IGBT

Thyr

Thyr

2000

Đang thi
công
Đang

thiết kế

800

500
±320

Siemens

Thiết kế
Thiết kế

2014

IGBT

Đang thi
công

1.2 Thành tựu mới đạt được của công nghệ truyền tải điện
Từ những năm 1970 trở lại đây, sự phát triển của khoa học kỹ thuật công nghệ
đã làm cho công nghệ truyền tải có những phát triển vượt bậc. Các thành tựu đạt
được của công nghệ truyền tải HVDC là đáng kể từ những yêu cầu cải tiến của nó
và sự hỗ trợ tương quan đã thúc đẩy sự phát triển của nghiệp công nghiệp điện tử
công suất và cáp ngầm DC. Và theo sau những loại hình ứng dụng mà HVDC đã
thực hiện trong khi đó HVAC không thể làm được:
- Kết nối giữa hai hệ thống có tần số khác nhau (Back to Back hoặc Point to
Point). Điều này cho phép liên kết các hệ thống không đồng bộ. Giúp hạn chế được
nhiều sự cố mà thường gặp phải ở hệ thống truyền tải điện xoay chiều như: như dao

12

động điện áp, sóng hài, bù công suất phản kháng, tổn thất đường truyền, điều khiển
dòng sự cố…
- Truyền tải công suất lớn trên đường truyền khoảng cách lớn hơn 600km có
lợi hơn về kinh tế. Xây dựng đường dây cao áp xoay chiều thường phải gánh trả
một chi phí rất lớn cho việc giải tỏa hành lang an toàn truyền tải hoặc cột chống đỡ
dây dẫn qua những địa hình khó khăn sông, biển, núi rừng…
- Công nghệ siêu dẫn và cáp ngầm: 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 cao gấp 2 đến 3 lần dây dẫn bình thường. 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 truyền tải
điện trong các thành phố lớn mà hành lang an toàn hạn chế. Cáp ngầm dưới nước
khoản cách lớn hơn 30km. Với AC là không thể vì điện dung cao (μF) đòi hỏi phải
có bù.
1.3 Cấu hình hệ thống HVDC
Các kết nối DC được phân thành ba loại chính:
- Kết nối đơn cực.
- Kết nối lưỡng cực.
- Kết nối đồng cực.
1.3.1 Kết nối đơn cực

Hình 1.1 Kết nối đơn cực
Cấu hình cơ bản của kết nối đơn cực được mô tả trong hình 1.1. Hệ thống
dùng một dây dẫn, có có cực tính âm. Đường dây trở về thường là dùng đất hay
nước. Các khảo sát cân nhắc về chi phí thường đi đến việc dùng hệ thống này

13

truyền tải bằng cáp ngầm. Đây là cấu hình tiên phong cho việc phát triển lên cấu
hình lưỡng cực.
Thay vì sử dụng đường dây trở về qua đất, trong trường hợp điện trở đất quá
lớn hoặc có thể ảnh hưởng nhiễu loạn thông tin, tín hiệu đến các công trình ngầm /
dưới nước người ta có thể sử dụng đường dây kim loại làm đường dây trở về trong
trường hợp điện áp thấp.
1.3.2 Kết nối lưỡng cực
Kết nối lưỡng cực được trình bày trong hình 1.2. Kết nối này có hai dây, một
dây dương và một dây âm. Mỗi đầu điều có một bộ biến đổi điện áp có điện áp định
mức bằng nhau, mắc nối tiếp về phía 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 trong hai cực bị cô lập do sự
cố trên đường dây dẫn, cực kia vẫn có thể hoạt động với đất là đường dây trở về và
mang nửa tải. Nhược điểm là chi phí xây dựng đường dây và trạm chuyển đổi cao
hơn cấu hình đơn cực.

Hình 1.2 Kết nối lưỡng cực
Theo quan điểm chống sét, đường dây lưỡng cực được xem như hiệu quả
tương đương với đường dây xoay chiều hai mạch. Trong hoạt động thường ít có ảnh
hưởng nhiễu hoạ tần đến các công trình lân cận. Việc đảo chiều công suất được thực
hiện bằng cách thay đổi cực tính hai cực thông qua bộ điều khiển.


14

Trong trường hợp dòng tản qua đất không được thuận lợi hoặc khi không thực
hiện tốt được việc nối đất do điện trở đất quá cao hoặc ảnh hưởng đến các công
trình ngầm lúc này có thể dùng đường dây dẫn thứ ba làm đường dây 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.
Từ 2 kết nối đơn cực và lưỡng cực, có các kiểu kết nối hệ thống truyền tải điện
một chiều sau:
- 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
không đồng bộ. Vì các bộ biến đổi nằm tập trung nên thuận lợi cho việc điều khiển
và bảo dưỡng thiết bị.
- Kiểu kết nối giữa 2 trạm: Được sử dụng khi phương án xây dựng đường dây
truyền tải cao áp một 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 ± 500kV (2 cực) có khả năng tải khoảng 3000MW, thông
thường sử dụng đường dây trên không, tải lượng công suất lớn đi khoảng cách rất
xa.
- 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 một chiều, có thể đấu nối tiếp hoặc
song song. Khi tất cả các trạm có cùng điện áp kết nối thì gọi là kiểu kết nối 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 kết nối nối tiếp vào một hay cả hai cực thì ta có
kiểu kết nối 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.


15

- Kiểu nối bộ tổ máy: Hệ thống truyền tải điện một chiều được đấu nối vào

ngay đầu ra của máy phát điện, thích hợp với các máy phát thủy điện và tuabin 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.
- Kiểu chỉnh lưu Diode: Ứng dụng khi công suất điện một chiều chỉ truyền tải
theo một hướng duy nhất, hệ thống van 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 kết 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 một chiều.

Đa cực nối tiếp

Back-to-Back

Hệ thống 2 cực

Đa cực song song

Hình 1.3 Các kiểu kết nối truyền tải một chiều
1.3.3 Kết nối đồng cực
Kết nối đồng cực có cấu hình như hình 1.4 gồm hai hay nhiều dây có cùng cực
Tuabin gió và thủy điện

Kiểu nối bộ

tính. Thường chọn cực cấp
tínhchoâm
ít lưu
có nhiễu thông tin do vầng quang gây ra hơn.

bộ vì
chỉnh
Đường trở về thông qua đất. Khi có sự cố trên một dây, bộ biến đổi sẵn sàng để
cung cấp cho các đường dây còn lại với chừng mực quá tải nào đó. Về mặt này cấu
hình đồng cực có vẻ thuận lợi hơn khi đường trở về qua đất được chấp nhận.


16

Trong trường hợp dòng trở về là nối đất thì có ảnh hưởng đối với các công
trình là đường ống kim loại dẫn dầu hoặc khí cách đó vài dặm. Khi đó các đường
ống này trở thành đường dây dẫn dòng trở về. Do đó, trong cấu hình này dùng
đường dây trở về là đất thường không được sử dụng.

Hình

1.4 Kết
nối đồng cực

Trong hệ thống HVDC “lưng kề lưng” (B2B) dùng cho các liên kết không
đồng bộ, được thiết kế vận hành hành đồng cực hay lưỡng cực với số nhóm khác
nhau của các van cho mỗi cực phù thuộc vào mục đích liên kết và độ tin cậy mong
muốn.
Hầu hết các kết nối HVDC là kết nối “điểm – điểm” (PtP) bao gồm đường dây
lưỡng cực và chỉ vận hành trong trường hợp khẩn cấp. Chúng được thiết kế để có sự
độc lập giữa các cực nhằm tránh mất điện cả đường dây lưỡng cực.
1.4 Các phần tử chính trong hệ thống HVDC
Các thành phần chính trong một hệ thống HVDC được mô tả trong hình 1.5, ở
đây được ví dụ bởi một mô hình lưỡng cực. Sau đây là mô tả tóm lược các phần tử
hệ thống.

1.4.1 Bộ biến đổi


17

Là một trong những thành phần quan trọng nhất của hệ thống HVDC. Biến đổi
AC/DC (chỉnh lưu) và DC/AC (nghịch lưu), gồm các cầu van và máy biến áp có
đầu phân áp. Cầu van gồm các van cao áp mắc theo sơ đồ 6 xung hoặc 12 xung. Các
máy biến áp biến đổi cung cấp nguồn điện ba pha với điện áp thích hợp cho các cầu
van. Với cuộn dây máy biến áp phía van không nối đất, hệ thống điện một chiều có
thể được nối đất riêng của chính nó, thường được nối đất bởi đầu âm hay đầu dương
cuối bộ cầu van.

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống HVDC lưỡng cực
1.4.1.1 Van Thyristor
Thành phần không thể thiếu của bộ chuyển đổi công suất một chiều là van.
Van được cấu tạo từ 1 hoặc nhiều Diode công suất mắc nối tiếp gọi là van không
điều khiển được, nếu cấu tạo từ chuỗi Thyristor gọi là van điều khiển được.
Valve không điều khiển
Valve điều khiển được
được (cấu tạo từ Diode)
(cấu tạo từ Thyristor)

Cầu chỉnh lưu không
điều khiển được

Cầu chỉnh lưu điều
khiển được

18

Hình 1.6 Ký hiệu các van và cầu chỉnh lưu
Thyristor là một khóa đóng cắt bán dẫn bao gồm 4 lớp PNPN ghép nối tiếp lại,
là thiết bị chỉnh lưu có điều khiển bằng vật liệu silicon, viết tắt là SCR. Cấu tạo bên
ngoài của Thyristor là một khóa gồm 3 đầu cực: Anode, Cathode và Gate. Dòng
điện đi qua Thyristor theo một chiều từ Anode sang Cathode và thời điểm bắt đầu
dẫn dòng tùy thuộc vào điều khiển cực Gate.

Hình 1.7 Cấu tạo, ký hiệu và sơ đồ Thyristor
Một van Thyristor được tạo ra từ một số lượng Thyristor mắc nối tiếp để có
điện áp định mức mong muốn và mắc song song để có dòng điện định mức mong
muốn. Đối với những thế hệ Thyristor hiện đại có khả năng chịu dòng điện cao là
không cần thiết. Số lượng các Thyristor nối tiếp trong van được xác định theo điện
áp định mức, nguyên lý bảo vệ và sự quá áp quá độ.
Thông thường các số lượng Thyristor trong một van thường được lắp dư một ít
để đề phòng, lượng Thyristor được lắp dư để dự phòng vào khoảng từ 3 – 7% tổng
số lượng Thyristor cần thiết. Các van thông thường được cách điện bằng khí và làm
mát có thể bằng khí, nước, dầu hay freon. Trong các trạm biến đổi ngày nay người
ta hay làm mát bằng nước để giảm tổn thất công suất.

Van 4 đoạn

Van 2 đoạn

Van 1 đoạn


19

Hình 1.8 Các kiểu sắp xếp van
Tùy theo cấu trúc lựa chọn của mạch biến đổi mà nhà sản xuất có thể chế tạo
những module phù hợp, ví dụ như module 2 van, 3 van hay 4 van. Đối với mạch
biến đổi 12 xung được dùng phổ biến hiện nay người ta hay dùng 3 bộ module 4
van ghép lại. Thông thường nhà sản xuất chế tạo các module 4 van theo các cấp 50,
125, 250 kV với một dãy dòng định mức: 800A, 1000A,….2000A, 3000A…,
4000A[4]. Ngoài ra để tăng cường độ an toàn và tin cậy cho các van Thyristor, hiện
nay người ta đã phát triển công nghệ dùng bộ chống sét, tụ điện, cuộn kháng hạn
dòng…, ghép vào module Thyristor để cải thiện các đặc tính làm việc như là chịu
quá dòng, quá áp của van[8]. Bên cạnh đó sự phát triển của kỹ thuật điều khiển vi
điện tử để điều khiển sự hoạt động trực tiếp một cách tự động của các van nhằm
thay thế kịp thời những hỏng hóc và bảo vệ an toàn cho chúng. Chính những cải
tiến liên tục và có hiệu quả về công nghệ đã giúp cho các trạm HVDC làm việc rất
tin cậy và an toàn.
1.4.1.2 Máy biến áp của bộ chuyển đổi
Hiện nay đa số tất cả các trạm biến đổi HVDC đều dùng bộ biến đổi cầu 12
xung. Mức điện áp phía bộ chuyển đổi của máy biến áp dùng cho trạm back-to-back
dựa vào khả năng truyền tải và dòng điện định mức của Thyristor. Đối với đường
dây dài, điện áp của van được xác định một cách tổng quát bằng mật độ dòng điện
kinh tế nhất quan hệ theo chi phí cách điện.
Một số kiểu máy biến áp cho bộ biến đổi:
- Ba pha, ba cuộn dây. Dùng một máy biến áp cho mỗi phía của hệ thống.
- Ba pha, hai cuộn dây. Dùng hai máy biến áp cho mỗi phía của hệ thống.
- Một pha, ba cuộn dây. Dùng ba máy biến áp cho mỗi phía của hệ thống.
- Một pha, hai cuộn dây. Dùng sáu máy biến áp cho mỗi phía của hệ thống.
Công suất định mức của máy biến áp cũng được chọn theo công suất định mức
của bộ biến đổi. Do các Thyristor có khả năng chịu dòng quá tải không cao vì vậy
công suất định mức của máy biến áp nên chọn sát với mức trần bình thường (mức
công suất tải định mức bình thường) của bộ biến đổi.

20

Hình 1.9 Các dạng kết nối máy biến áp

Hình 1.10 Bộ biến đổi trong mạch cầu 12 xung
Công suất định mức có thể xác định một cách tối ưu cho mạch biến đổi 12
xung của bộ biến đổi với hệ số sử dụng cao nhất là[2]:
ST = 1,047×Vd0×Id
Trong đó:
Vd0: Điện áp DC định mức cực đại khi chưa có góc kích trễ.
Id: Dòng điện định mức qua biến đổi.
Đặc tính quan trọng nhất của máy biến áp bộ biến đổi là tổng trở ngắn mạch,
nó ảnh hưởng đến thời gian đảo mạch và giới hạn dòng ngắn mạch trên đường dây
DC.
Bộ đổi nấc máy biến áp được sử dụng chủ yếu để giảm nhu cầu tiêu thụ công
suất phản kháng của bộ biến đổi và dãy tỉ số biến điện áp thay đổi tùy theo sơ đồ
mạch biến đổi và đặc trưng của từng hệ thống. Nó thay đổi từ ±5% đến ±20%. Bộ
đổi nấc máy biến áp được thiết kế với tiêu chuẩn cơ khí cao nhất, số lượng nấc biến
áp nhiều hơn các bộ đổi nấc cho AC rất nhiều. Để nâng cao khả năng của nó hiện
nay người ta đã dùng bộ đổi nấc máy biến áp đặt trong chân không.


21

Về giá cả thì các máy biến áp cho bộ biến đổi chiếm tỉ lệ nhiều nhất trong một
trạm HVDC dạng Back-to-Back.
1.4.2 Cuộn kháng nắn dòng
Đây là các cuộn kháng có điện cảm lớn có điện cảm từ 0.5 đến 1.0H[6] mắc
nối tiếp với mỗi cực của mỗi trạm biến đổi. Nó đáp ứng các mục đích sau:

- Giảm các hoạ 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 đỉnh dòng
điện trong chỉnh lưu khi xảy ra ngắn mạch trên đường dây một chiều.
Các cuộn kháng này có thể là dạng kháng điện tuyến tính hay phi tuyến với
điện trở thấp và điện kháng phù hợp yêu cầu. Không có một tiêu chuẩn rõ ràng cho
việc lựa chọn cuộn kháng của đường dây. Khi điện kháng của cuộn dây tăng lên thì
dòng DC sẽ càng phẳng, dạng sóng và lượng họa tần DC sẽ được cải thiện tuy nhiên
nó lại làm cho đáp ứng điều khiển chậm lại cũng như tần số cộng hưởng bị giảm
làm cho sự ổn định của điều khiển dòng điện trở nên khó khăn.
Đối với những van Thyristor hiện đại, yêu cầu điện kháng của cuộn dây thấp
hơn nhiều do bản thân những van này đã có mạch hạn dòng. Những cuộn kháng
thường dùng hiện nay là loại có cách điện và làm mát bằng không khí. Mạch từ của
cuộn kháng DC gồm một khung sắt bao quanh cuộn dây và ruột (lõi) không khí.
1.4.3 Bộ lọc họa tần (sóng hài)
Bộ biến đổi sinh ra các họa tần điện áp và dòng điện ở cả hai phía xoay chiều
và một chiều. Họa tần cũng là nguyên nhân gây ra phát nóng tụ điện và máy phát
gần đó, làm nhiễu tín hiệu thông tin liên lạc. Mạch lọc do đó cũng dùng về cả hai
phía xoay chiều và một chiều.
Tần số của họa tần đặc trưng bằng bội số của xung chuyển mạch cơ bản của
một biến đổi tại mỗi tần s, số chu kỳ cơ bản theo công thức n = pk ± 1 (với k = 1,
2,3,..). Đối với các mạch biến đổi thường dùng hiện nay số lượng xung chuyển
mạch là 12. Do vậy các họa tần đặc trưng là n = 12k ± 1 (có nghĩa là 11, 13, 23,
25,..). Các họa tần không đặc trưng có tất cả trong những phần khác của nguồn họa
tần theo một số những hệ số riêng nào đó. Chúng được sinh ra như là kết quả của
những điện dung rải trong mạch biến đổi, sự mất đối xứng giữa tổng trở trong các
cuộn dây khác nhau của máy biến áp và sự khác biệt giữa những giá trị khác nhau
của góc kích trong một bộ biến đổi.

22

Để giảm dòng họa tần này người ta dùng bộ lọc dạng bị động ở cả 2 phía AC
và DC của bộ biến đổi. Việc dùng các bộ biến đổi cầu 12 xung cũng có tác dụng
làm giảm đáng kể lượng họa tần bậc cao là tạo được một đường dẫn tổng trở thấp
dẫn dòng họa tần ở một số tần số xác định xuống đất.
Những yêu cầu của bộ lọc AC: Làm giảm hệ số biên độ họa tần tổng tới một
mức độ được định trước cho các họa tần trong khi vẫn giữ được mỗi họa tần nằm
trong khoảng giới hạn nhất định của nó. Phù hợp với nhu cầu công suất phản kháng
của bộ biến đổi, có xét cả những thành phần bù có điều khiển khác nữa trong hệ
thống. Không nhạy cảm với những dao động tần số và sự bất đối xứng của hệ thống.
Các yếu tố cần quan tâm trong thiết kế các bộ lọc họa tần bậc cao cho trạm
biến đổi: Dung lượng của bộ lọc phải được xác định theo nhu cầu về công suất phản
kháng của bộ biến đổi khi có sự so sánh kinh tế với máy phát, tụ bù tĩnh, máy bù
đồng bộ, SVC. Chất lượng (Q) của bộ lọc đặc trưng bởi độ chỉnh nhuyễn, chính hệ
số phẩm chất sẽ phân biệt 2 loại bộ lọc là lọc thông cao và lọc có điều chỉnh.
Tiêu chuẩn chọn lọc họa tần phía DC: Mạch biến đổi dạng cầu 12 xung đã tạo
ra 12 chu kỳ nhấp nhô của dòng DC, có nghĩa là điện áp bị đảo mạch 12 lần, các
thành phần họa tần 12xn sẽ cùng pha và được sinh ra trên dây. Phần lớn lượng họa
tần này bị giảm nhờ cuộn kháng cản dòng. Các bộ lọc DC chủ yếu được thiết kế
nhằm đảm bảo lượng họa tần trên dây DC ở một mức chấp nhận được. Nếu giá trị
cuộn kháng tăng lên thì lượng họa tần lọc sẽ giảm nhỏ lại, tuy nhiên kích thước của
cuộn kháng lại ảnh hưởng đến những yếu tố vận hành khách quan toàn hệ thống.
Các phương án lọc họa tần DC: Một là dùng bộ lọc bị động và hai là dùng bộ
lọc tích cực. Các bộ lọc DC thường dùng để triệt tiêu các họa tần 12, 24, 36. Có thể
dùng các bộ lọc “chỉnh một tần số” hay “chỉnh hai tần số” cho họa tần 12, 24 và
“lọc thông cao cho họa tần bậc 36 trở lên”. Các bộ lọc này không giữ nhiệm vụ
cung cấp công suất phản kháng cho trạm biến đổi nên sẽ có kích thước nhỏ, tổn thất
ít.
1.4.4 Nguồn cung cấp công suất phản kháng

Trong quá trình vận hành thực chất công suất kháng tiêu thụ khoảng 50% công
suất tác dụng tải qua. Trong tình trạng quá độ yêu cầu về công suất kháng có thể là
lớn hơn. Nguồn công suất phản kháng được đặt gần bộ biến đổi. Trong hệ thống


23

điện xoay chiều lớn, công suất phản kháng được tao ra bằng cách bù ngang. Điều
này phù thuộc vào yêu cầu đặt ra cho hệ thống kết nối một chiều và trên hệ thống
xoay chiều mà một phần công suất phản kháng có thể được tạo ra từ máy bù tĩnh
hoặc bù đồng bộ. Các tụ điện trong mạch lọc cũng bù một phần công suất phản
kháng yêu cầu.
1.4.5 Điện cực
Hầu hết các kết nối DC được thiết kế sử dụng đất như là một đường dây trung
tính ít nhất cho đến thời điểm này. Việc nối đất phải có một bề mặt dẫn điện đủ lớn
để hạn chế mật độ dẫn điện và điện trường. Dây dẫn nối đất được xem như là điện
cực. Như vậy, nếu cần thiết để hạn chế dòng điện qua đất thì phải dùng dây kim loại
là một phần tử không thể thiếu trong hệ thống truyền tải HVDC.
1.4.6 Đường dây một chiều
Là đường dây trên không hay cáp ngầm. Ngoại trừ số dây dẫn và khoảng cách
yêu cầu giữa các dây, đường dây DC trông rất giống đường dây AC.
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 đầy trong cáp và luôn làm việc với một áp suất nhất
định. Khoảng cách lớn nhất cho loại cáp dầu khoảng 60 km.
1.4.7 Máy cắt điện AC
Để loại trừ một số sự cố trong máy biến áp cũng như để tách kết nối DC ra

khỏi hệ thống vận hành, máy cắt được đặt phía xoay chiều. Chúng không dùng để
giải trừ sự cố phía một chiều vì những sự cố này có thể được thực hiện nhanh chóng
bằng cách điều khiển bộ biến đổi.
1.4.8 Hệ thống làm mát van
Hệ thống làm mát van được dùng để tản nhiệt sinh ra do các van Thyristor của
bộ biến đổi trong suốt quá trình vận hành. Các trạm HVDC hiện đại ngày nay sử
dụng nước làm chất làm mát là chủ yếu. Để tản nhiệt thì những “thùng tản nhiệt”
được đặt vào trong khoang giữa các liên kết trong Thyristor (sự tản nhiệt này có thể


24

phá hủy cấu trúc của chúng). Nhiệt độ tối đa của liên kết để giữ được khả năng chịu
điện áp định mức của Thyristor xấp xỉ 120 0C. Ngoài ra những thành phần khác có
sự sinh nhiệt trong mạch như cuộn kháng cản dòng, mạch phân áp RC cũng được
làm mát bằng nước. Ngoài làm mát bằng nước người ta còn dùng khí và glycol.