Tài liệu 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 1 2 3 4 5 Họ và tên TS. Nguyễn Hùng TS. Võ Ngọc Điều TS. Trương Việt Anh PGS.TS. Lê Kim Hùng TS. Huỳnh Quang Minh Chức danh Hội đồng Chủ tịch Phản biện 1 Phản biện 2 Ủy viên 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 giữa 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 Đình 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 suốt 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 đồng 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 năng 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 những 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 được 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 điện 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 Cuộn 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 điện 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 GIỮA 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 tần 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 SUẤT 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 thống 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 bố 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 Bảng 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 Bảng 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 điện................................................................................. 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 của 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 cầu 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 vận 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 đường 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 tiếp 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 điện 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 rằng 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 điện 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 thiết 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 hoạt 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 việc 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 khoảng 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 giới. 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 điều 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 của 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 thất 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 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 khi đó, cáp HVDC có thể truyền tải 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 định 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 bộ 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.