Bé C«ng th−¬ng
tËp ®oµn ®iÖn lùc ViÖt Nam
ViÖn n¨ng l−îng
Báo cáo tổng kết đề tài cấp bộ
M· sè: I-150
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRUYỀN
TẢI ĐIỆN MỘT CHIỀU TẠI VIỆT NAM
Chủ nhiệm đề tài:
Nguyễn Mạnh Cường
7174
17/3/2009
Hµ néi - 12/2008
§Ò tµi nghiªn cøu khoa häc – Nghiªn cøu kh¶ n¨ng øng dông truyÒn t¶i ®iÖn mét chiÒu ë viÖt nam
Phßng ph¸t triÓn hÖ thèng ®iÖn – ViÖn n¨ng l−îng
1
§Ò tµi nghiªn cøu khoa häc – Nghiªn cøu kh¶ n¨ng øng dông truyÒn t¶i ®iÖn mét chiÒu ë viÖt nam
Phßng ph¸t triÓn hÖ thèng ®iÖn – ViÖn n¨ng l−îng
2
§Ò tµi nghiªn cøu khoa häc – Nghiªn cøu kh¶ n¨ng øng dông truyÒn t¶i ®iÖn mét chiÒu ë viÖt nam
Mục lục
Mở đầu............................................................................................................... 6
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN MỘT
CHIỀU VÀ XOAY CHIỀU .............................................................................. 7
1.1.
Lịch sử phát triển công nghệ truyền tải điện ..................................... 7
1.2.
Các thành tựu mới đạt được của công nghệ truyền tải điện. ........... 10
1.3.
Các yêu cầu kỹ thuật chính của tryền tải điện siêu cao áp một chiều .
......................................................................................................... 13
1.3.1.
Thành phần cơ bản .................................................................... 13
1.3.2.
Trạm chuyển đổi ....................................................................... 16
1.3.3.
Các kiểu truyền tải điện cao áp 1 chiều .................................... 18
1.3.4.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền tải điện 1 chiều....... 21
1.3.5.
Ưu nhược điểm của hệ thống truyền tải điện cao áp 1 chiều .... 24
1.3.6.
Một số hệ thống truyền tải điện cao áp 1 chiều trên thế giới .... 25
CHƯƠNG II. Các yếu tố ảnh hưởng đến chi phí đầu tư hệ thống truyền tải
điện.
................................................................................................ 30
2.1.
+ Ảnh hưởng của công suất và khoảng cách truyền tải. ................. 30
2.2.
+ Ảnh hưởng của các yếu tố khác ................................................... 34
CHƯƠNG III. Khảo sát sự biến thiên của chi phí đầu tư khi các yếu tố đầu
vào thay đổi.
.............................................................................................. 39
3.1.
Xác định các thành phần của chi phí đầu tư .................................... 39
3.1.1.
Phương pháp chung để đánh giá dự án đầu tư: ......................... 39
3.1.2. Lựa chọn phương pháp so sánh kinh tế dự án đầu tư cho đề án
nghiên cứu khả năng ứng dụng truyền tải điện 1 chiều ở Việt Nam ...... 41
3.2.
Tính toán chi phí trong trường hợp yếu tố đầu vào thay đổi........... 42
CHƯƠNG IV. Ứng dụng trong các trường hợp cụ thể tại Việt Nam. .......... 43
4.1.
Các giả thiết đưa vào tính toán: ....................................................... 43
4.1.1.
Các giả thiết về mặt kỹ thuật ..................................................... 43
4.1.2.
Các giả thiết về mặt kinh tế ....................................................... 44
4.2.
Tính toán chi phí hiện tại hóa khi các yếu tố đầu vào thay đổi ....... 46
4.2.1.
Mô phỏng hệ thống điện trong PSS/E....................................... 46
4.2.2.
Khoảng cách truyền tải 270 km ................................................ 49
4.2.3.
Khoảng cách truyền tải 450 km ................................................ 58
4.3.
Những dự án truyền tải 1 chiều tiềm năng ...................................... 63
Phßng ph¸t triÓn hÖ thèng ®iÖn – ViÖn n¨ng l−îng
3
§Ò tµi nghiªn cøu khoa häc – Nghiªn cøu kh¶ n¨ng øng dông truyÒn t¶i ®iÖn mét chiÒu ë viÖt nam
4.3.1.
Truyền tải điện khu vực Nam Trung bộ - Đông Nam Bộ: ........ 63
4.3.2.
Truyền tải điện liên kết Việt Nam – Trung Quốc: .................... 64
CHƯƠNG V. KẾT LUẬN............................................................................ 66
CHƯƠNG VI. PHỤ LỤC ............................................................................. 67
6.1.
Mô phỏng các hệ thống điện đơn giản: ........................................... 68
6.2.
Vốn đầu tư và chi phí hiện tại hóa cho các dự án truyền tải điện: . 82
Phßng ph¸t triÓn hÖ thèng ®iÖn – ViÖn n¨ng l−îng
4
§Ò tµi nghiªn cøu khoa häc – Nghiªn cøu kh¶ n¨ng øng dông truyÒn t¶i ®iÖn mét chiÒu ë viÖt nam
Danh mục hình vẽ:
Hình : 1: Ký hiệu các Valve và cầu chỉnh lưu .......................................................... 14
Hình : 2: Cấu hình cơ bản mạch chuyển đổi gồm nhóm van 6 xung nối với MBA
đấu Yo/Y................................................................................................................... 14
Hình : 3: Cấu hình chỉnh lưu 12 xung, sử dụng 2 MBA đấu Yo/Y và Yo/D ........... 15
Hình : 4: Thành phần của một Thyristor Module ..................................................... 16
Hình : 5: Cấu hình cơ bản trạm chuyển đổi AC - DC .............................................. 16
Hình : 6 : Cấu hình đơn cực, sử dụng bộ chỉnh lưu 12 xung ................................... 18
Hình : 7: Cấu hình lưỡng cực, sử dụng bộ chỉnh lưu 12 xung. ................................ 19
Hình : 8 : Các kiểu đấu nối hệ thống truyền tải điện 1 chiều .................................. 21
Hình : 9: hình dạng sóng điện áp và dòng điện trong quá trình chuyển đổi ........... 21
Hình : 10: Bản đồ vị trí tuyến HVDC +/- 600kV Itaipu - Sao Paulo ...................... 26
Hình : 11: Bản đồ vị trí tuyến HVDC 350kV Leyte - Luzon, Philipines ................. 27
Hình : 12: Bản đồ vị trí tuyến HVDC +/- 500kV Riland - Delhi, Ấn Độ ................ 28
Hình : 13: Bản đồ vị trí một số dự án HVDC trên thế giới ...................................... 29
Hình : 14: Tổn thất vầng quang theo độ cao và tổn thất truyền tải theo chiều dài ... 32
Hình : 15: Chi phí đầu tư khi P = 3500 MW ............................................................ 33
Hình : 16: Chi phí đầu tư khi P = 10.000 MW ......................................................... 33
Hình : 17: Chiều dài cách điện ở các cấp điện áp khác nhau (Nguồn ABB) ........... 35
Hình : 18: Mức tăng tương đối về yêu cầu cách điện ở cao độ khác nhau .............. 36
Hình : 19: Tải trọng dây dẫn cho EHVAC và HVDC .............................................. 36
Hình : 20: số mạch yêu cầu khi truyền tải 6000 MW bằng HVDC và HVAC ....... 37
Hình : 21: Thiết kế cột EHVAC
Hình : 22: Thiết kế cột HVDC ................ 38
Hình : 23: Bản đồ vị trí các nhà máy điện khu vực Nam trung bộ........................... 50
Hình : 24: Sơ đồ khối hệ thống truyền tải ................................................................ 51
Hình : 25: Đồ thị biểu diễn tổn thất theo công suất truyền tải khi L = 270km ........ 53
Hình : 26: Đồ thị biểu diễn tổn Vốn đầu tư theo công suất truyền tải khi L = 270km
.................................................................................................................................. 54
Hình : 27: Đồ thị biểu chi phí hiện tại hóa theo công suất truyền tải khi L = 270km
.................................................................................................................................. 55
Hình : 28: Suất đầu tư cho TBA 765/500kV giảm = 25.000 USD/MW ................. 56
Hình : 29: Suất đầu tư cho TBA 765/500kV giảm := 20.000 USD/MW ................. 56
Hình : 30: Suất đầu tư cho đường dây 765kV giảm = 1.0 triệu USD/km ................ 57
Hình : 31: Suất đầu tư cho đường dây 765kV giảm = 1.0 triệu USD/km đồng thời
suất đầu tư cho TBA 765/500kV giảm = 25.000 USD/MW .................................... 57
Hình : 32: Bản đồ vị trí tuyến truyền tải liên kết Việt Nam - Trung Quốc .............. 59
Hình : 33: Đồ thị biểu diễn vốn đầu tư theo công suất truyền tải khi L = 450km ... 61
Hình : 34: Đồ thị biểu diễn chi phí hiện tại hóa theo công suất truyền tải khi L =
450km ....................................................................................................................... 62
Hình : 35: Suất đầu tư cho trạm chuyển đổi AC-DC, DC-AC giảm = 75 USD/kW 63
Phßng ph¸t triÓn hÖ thèng ®iÖn – ViÖn n¨ng l−îng
5
§Ò tµi nghiªn cøu khoa häc – Nghiªn cøu kh¶ n¨ng øng dông truyÒn t¶i ®iÖn mét chiÒu ë viÖt nam
Mở đầu
Hệ thống điện Việt Nam 12 năm gần đây (1995-2007) có sự phát triển mạnh
với tốc độ tăng trưởng trung bình 14,8%/năm, điện thương phẩm năm 2007 đạt 58
tỷ kWh, gấp hơn năm lần năm 1995, công suất max tăng hơn 4 lần, năm 2007 đạt
hơn 11000 MW. Theo xu hướng trên, để đáp ứng nhu cầu công suất và điện năng
cho 20 năm tới, dự kiến cần xây dựng khối lượng rất lớn nguồn, lưới điện trên cả 3
miền Bắc – Trung Nam, ngoài ra còn phải nhập khẩu điện từ nước ngoài như Lào,
Trung Quốc.
Cũng giống như nhiều nước đang phát triển khác, quá trình phát triển kinh tế
của Việt Nam sẽ hình thành những khu vực phụ tải tập trung, là trung tâm kinh tế
vùng như khu vực Hà Nội và T.P. Hồ Chính Minh. Về lý thuyết, cần xây dựng các
nguồn điện ngay gần những trung tâm phụ tải này nhằm tránh chi phí truyền tải cao
và phân bố tối ưu nguồn điện. Tuy nhiên, với những rào cản kỹ thuật, môi trường…
không cho phép xây dựng nhà máy điện ở đó mà phải di chuyển ra các vùng cách xa
hàng trăm km. Từ đó phát sinh vấn đề về lựa chọn hình thức và cấp điện áp truyền
tải để vừa đảm bảo an toàn, tin cậy, vừa đem lại lợi ích kinh tế tốt nhất.
Xây dựng hệ thống điện liên kết đa quốc gia cũng trở thành xu hương chung
trên thế giới nhằm khai thác tối ưu nguồn năng lượng có giá thành thấp như thủy
điện. Sử dụng hệ thống truyền tải siêu cao áp 1 chiều sẽ giúp cho việc trao đổi điện
năng giữa các hệ thống điện không đồng bộ nhưng chi phí thường cao hơn nhiều so
với truyền tải bằng hệ thống xoay chiều.
Đề tài “nghiên cứu khả năng ứng dụng truyền tải điện 1 chiều ở Việt Nam” sẽ
bước đầu đánh giá các hình thức truyền tải AC500kV, AC765kV và DC+/-500kV
ứng với các mức công suất khác nhau ở 2 vùng tiềm năng: truyền tải 270km từ
Nam Trung Bộ về khu vực TP. Hồ Chí Minh và 450km từ Honghe (Vân Nam –
Trung Quốc) về khu vực Hà Nội. Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần giúp cho công tác
quy hoạch hệ thống điện có cái nhìn tổng quan hơn đối với các cấp điện áp truyền
tải trong bối cảnh của Việt Nam.
Phßng ph¸t triÓn hÖ thèng ®iÖn – ViÖn n¨ng l−îng
6
§Ò tµi nghiªn cøu khoa häc – Nghiªn cøu kh¶ n¨ng øng dông truyÒn t¶i ®iÖn mét chiÒu ë viÖt nam
CHƯƠNG I.
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI
ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ XOAY CHIỀU
1.1. Lịch sử phát triển công nghệ truyền tải điện
Thomas Alva 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 1 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 nên phổ biến và là lựa chọn số 1 của các quốc gia trên toàn thế giới.
Năm 1929, các kỹ sư của công ty ASEA (Allmana Svenska Electriska
Aktiebolaget) – Thụy Điển – đã nghiên cứu và phát triển hệ hệ thống Valve hồ
quang thủy ngân điều khiển mạng lưới đa điện cực sử dụng trong 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 năm 1930 để kiểm tra hoạt động của các 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 2, 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 116km được đưa vào vận hành, tải điện từ
Moscow đi Kasira (Liên Xô cũ). 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 98km sử dụng cáp ngầm vượt biển nối giữa đảo Gotland và đất liền.
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 Valves thể rắn đã được ứng
dụng lần đầu tiên ở Canada tại trạm Back to Back Eel River công suất 320 MW
điện áp 80kV. Điện áp vận hành lớn nhất hiện nay của đường dây truyền tải một
chiều là ±600 kV, truyền tải công suất 6300 MW từ thủy điện Itaipu đi São Paulo
(Brazil), chiều dài 796km.
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 siêu cao áp một
chiều luôn được cân nhắc khi phải tải lượng công suất rất lớn đi khoảng cách xa,
liên kết giữa các hệ thống điện không đồng bộ hoặc xây dựng các đường cáp điện
Phßng ph¸t triÓn hÖ thèng ®iÖn – ViÖn n¨ng l−îng
7
§Ò tµi nghiªn cøu khoa häc – Nghiªn cøu kh¶ n¨ng øng dông truyÒn t¶i ®iÖn mét chiÒu ë viÖt nam
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.
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.
Danh sách các dự án truyền tải 1 chiều hiện nay có trong bảng sau:
STT
A
Tên công trình HVDC
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Đang xây dựng
ESTLINK
BASSLINK
NORNED
THREE GORGES-SHANGHAI
NEPTUNE
MISSION
Đang vận hành
VANCOUVER 1
VOLGOGRAD-DONBASS
SAKUMA
NEW ZEALAND HYBRID
PACIFIC INTERTIE
NELSON RIVER 1
GOTLAND HVDC LIGHT
DIRECTLINK
MURRAYLINK
CROSS SOUND
TROLL
EEL RIVER
VANCOUVER 2
DAVID A. HAMIL
SHIN-SHINANO 1
SQUARE BUTTE
17
18
19
CAHORA-BASSA
C.U.
ACARAY
1
2
3
4
5
6
B
Năm vận
hành / nâng
cấp / dỡ bỏ
Khả
năng
tải
(MW)
Điện áp
một chiều
(kV)
quy mô
công trình
B-B/
line/cable
(km)
Vị trí công trình
2006
2005
2007
2007
2007
2007
350
500
600
3000
600
150
150
400
500
500
500
21
106
360
580
900
102
B-B
Estonia-Finland
Australia
Norway-Netherlands
China
U.S.A.
U.S.A.
1968
1962
1965/1993
1965/92
1970/84/89/02
1973/93
1999
2000
2002
2002
2004
1972
1977
1977
1977
1977
312
720
300
1240
3100
1854
50
3 X 60
200
330
2 X 40
320
370
100
300
500
260
400
2 X 125
+270/-350
500
+463/-500
60
80
± 150
150
60
2 X 80
280
50
125
250
74
470
B-B
612
1361
890
70
59
176
40
70
B-B
74
B-B
B-B
749
1978
1979
1981
1920
1128
50
533
411
26
1420
702
B-B
Canada
Russia
Japan
New Zealand
U.S.A.
Canada
Sweden
Australia
Australia
U.S.A.
Norway
Canada
Canada
U.S.A.
Japan
U.S.A.
Mocambique-South
Africa
U.S.A.
Paraguay
Phßng ph¸t triÓn hÖ thèng ®iÖn – ViÖn n¨ng l−îng
8
§Ò tµi nghiªn cøu khoa häc – Nghiªn cøu kh¶ n¨ng øng dông truyÒn t¶i ®iÖn mét chiÒu ë viÖt nam
STT
Tên công trình HVDC
Năm vận
hành / nâng
cấp / dỡ bỏ
Khả
năng
tải
(MW)
20
21
INGA-SHABA
EDDY COUNTRY
1982
1983
22
23
24
25
26
27
CHATEAUGUAY
BLACKWATER
HIGHGATE
MADAWASKA
MILES CITY
OKLAUNION
1984
1985
1985
1985
1985
1985
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
BROKEN HILL
CROSS CHANNEL BP 1+2
IPP (INTERMOUNTAIN)
ITAIPU 1
ITAIPU2
URUGUAIANAI
VIRGINIA SMITH
FENNO-SKAN
MeNEILL
SILERU-BARSOOR
VINDHYACHAL
RIHAND-DELHI
SHIN-SHINANO 2
BALTIC CABLE
KONTEK
WELSH
CHANDRAPUR-RAMAGUNDUM
CHANDRAPUR-PADGHE
HAENAM-CHEJU
LEYTE-LUZON
VIZAG 1
MINAMI-FUKUMITZU
KIl CHANNEL
SWEPOL LINK
GRITA
HIGASHI-SHIMIZU
1986
1986
1986
1986
1987
1987
1987
1989
1989
1989
1989
1992
1992
1994
1995
1995
1997
1998
1998
1998
1998
1999
2000
2000
2001
2001
54
55
56
MOYLE INTERCONNECTOR
TIAN-GUANG
THAILAND-MALAYSIA
EAST-SOUTH
INTERCONNECTOR
RAPIDCITYTIE
THREE GORGES CHANGZHOU
GUI-GUANG
THREE GORGESGUANGDONG
LAMAR
VIZAG 2
KONTI-SKAN 1 AND 2
2001
2001
2001
40
2000
1920
3150
3150
54
200
572
150
100
500
1500
300
600
600
600
1000
1500
300
440
500
300
1400
600
500
300
2X
250
1800
600
2003
2003
2003
2004
2004
2005
2005
1965/88/2005
57
58
59
60
61
62
63
64
560
200
2X
500
200
200
350
200
220
Điện áp
một chiều
(kV)
500
82
quy mô
công trình
B-B/
line/cable
(km)
1700
B-B
Vị trí công trình
Zaire
U.S.A.
2 X 140
57
56
140
82
82
2 x 17 (±8,3
3)
270
500
600
600
18
50
400
42
200
2 X 69.7
500
125
450
400
162
2 X 205
500
180
350
205
125
250
450
400
125
B-B
B-B
B-B
B-B
B-B
B-B
Canada
U.S.A.
U.S.A.
Canada
U.S.A.
U.S.A.
B-B
71
784
796
796
B-B
B-B
234
B-B
196
B-B
814
B-B
255
171
B-B
B-B
736
101
443
B-B
B-B
102
230
313
B-B
Australia
France-U.K.
U.S.A.
Brazil
Brazil
Brazil-Uruguay
U.S.A.
Finland-Sweden
Canada
India
India
India
Japan
Sweden-Germany
Denmark-Germany
U.S.A.
India
India
South Korea
Philippines
India
Japan
Japan
Sweden-Poland
Greece-Italy
Japan
2 X 250
500
300
64
960
110
Scotland-N.Ireland
China
Thailand-Malaysia
2000
2X100
3000
3000
500
13
500
500
1400
B-B
890
936
3000
211
500
740
500
63
88
285
900
B-B
B-B
150
Phßng ph¸t triÓn hÖ thèng ®iÖn – ViÖn n¨ng l−îng
India
U.S.A.
China
China
China
U.S.A.
India
Denmark-Sweden
9
§Ò tµi nghiªn cøu khoa häc – Nghiªn cøu kh¶ n¨ng øng dông truyÒn t¶i ®iÖn mét chiÒu ë viÖt nam
STT
Tên công trình HVDC
65
66
67
68
SACOI
SKAGERRAK 1-3
NELSON RIVER 2
HOKKAIDO-HONSHU
69
70
71
72
73
74
75
1
2
3
VYBORG
GOTLAND Il-Ill
QUEBEC-NEW ENGLAND
GESHA
GARABI 1&2
RIVERA
SASARAM
Đã dỡ bỏ
KINGSNORTH
DUERNROHR 1
ETZENRIHT
4
VIENNA SOUTH-EAST
C
Năm vận
hành / nâng
cấp / dỡ bỏ
1967/85/93
1976/77/93
1978/85
1979/80/93
Khả
năng
tải
(MW)
Điện áp
một chiều
(kV)
Vị trí công trình
2002
300
1050
2000
600
4X
355
260
2250
1200
2000
70
500
1972/1987
1983/1997
1993/1997
640
550
600
145
160
82
B-B
B-B
England
Austria-Czech
Germany-Czech
1993/1997
600
145
B-B
Austria-Hungary
1981/82/84/02
1983/87
1986/90/92
1989/90
2000/02
200
250/350
500
250
1 X 170
(85)
150
500
500
70
quy mô
công trình
B-B/
line/cable
(km)
385
240
940
167
Italy-Corsica-Sardinia
Norway-Denmark
Canada
Japan
205
B-B
98
1500
1046
B-B
B-B
B-B
Russia-Finland
Sweden
Canada-U.S.A.
China
Argentina-Brazil
Uruguay
India
* Nguồn: Standard Handbook for Electrical Engineers, Fink, Donal G.- McGrawHill Pro. Publishing, 2006, page1015.
* Chú thích: B-B:trạm Back to Back.
1.2. Các thành tựu mới đạt được của công nghệ truyền
tải điện.
Từ những năm 1980s trở lại đây, sự phát triển của khoa học công nghệ đã làm
cho công nghệ truyền tải điện có những bước tiến vượt bậc.
*) Công nghệ siêu dẫn:
Công nghệ siêu dẫn nhiệt độ cao (High-temperature superconducting
technology - HTS) 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 138kV. Cáp
điện siêu dẫn (HTS-cable) đã phát triển đến thế hệ thứ 3 (bởi công ty American
Superconductor – AMSC, U.S.). Đường dây cáp siêu dẫn dài nhất hiện nay là 600
m, điện áp 138 kV, tải 574 MVA giữa trạm Holbrook với hệ thống điện đảo Long
Island Power Authority’s system (USA), dự kiến vận hành năm 2008.
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
Phßng ph¸t triÓn hÖ thèng ®iÖn – ViÖn n¨ng l−îng
10
§Ò tµi nghiªn cøu khoa häc – Nghiªn cøu kh¶ n¨ng øng dông truyÒn t¶i ®iÖn mét chiÒu ë viÖt nam
cho việc cải tạo hệ thống truyền tải điện trong các thành phố lớn và những nơi hạn
chế về hành lang tuyến.
*) 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 rã
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 1 chiều
(HVDC) hoặc qua các trạm chuyển đổi Back-to-Back. Đối với nước Mỹ, chi phí
cho việc này vào khoảng 8 đến 10 tỷ USD (theo nghiên cứu của hội đồng hợp tác
năng lượng Đông Bắc), nếu so với sự cố rã lưới năm 2003 gây thiệt hại ước tính 6
tỷ USD thì dự án trên rất đáng quan tâm, nhất là khi sự phát triển của công nghệ
điện tử công suất đang làm giảm giá thành của hệ thống truyền tải 1 chiều (HVDC)
và hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt (FACTS).
Hiện nay, công ty ABB Thụy Sỹ đã phát triển thành công hệ thống truyền tải
điện một chiều quy mô nhỏ cỡ khoảng vài chục MW (HVDC Light) với chi phí có
thể chấp nhận được. Hệ thống HVDC Light sử dụng công nghệ Transitor 2 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 (Voltage source converter), giúp giảm các sự cố của hệ thống xoay chiều
như dao động điện áp, sóng hài, bù công suất phản kháng, … Công nghệ HVDC
Light đã được ứng dụng ở Mỹ (đường cáp vượt biển dài 40km – 330 MW nối
Connecticut với Long Island), Australia ( 180km – 200 MW nối Murray Link với
miền Nam), liên kết Mỹ và Mexico (trạm Back-to-Back 36 MW).
*) Máy biến đổi tần số (gọi tắt là máy biến tần quay) - VFT
Hãng GE Energy (Atlanta, US), đã phát triển máy biến tần VFT – variable
frequency transformer – 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 2 hệ thống điện không đồng bộ. Hiện máy biến tần quay đang được sử dụng để
liên kết 2 hệ thống điện không đồng bộ, 1 tại Québec (Canada) và 1 tại Laredo
(Texas).
Phßng ph¸t triÓn hÖ thèng ®iÖn – ViÖn n¨ng l−îng
11
§Ò tµi nghiªn cøu khoa häc – Nghiªn cøu kh¶ n¨ng øng dông truyÒn t¶i ®iÖn mét chiÒu ë viÖt nam
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, đã được sử dụng lần
đầu tiên tại hệ thống liên kết giữa Pennsylvania với trung tâm New York, công suất
300 MW. Ba gói dự án khác với tổng công suất 900 MW đang được thực hiện nối
giữa Linden (New Jersey) với New York (vận hành 2009).
*) Ứng dụng ETO-Thyristor trong FACTS and HVDC
Phòng thí nghiệm Sandia National Lab. (U.S.) đã phát triển thành công loại
ETO Thyristor (Emitter turnoff Thyristor), có khả năng phản ứng nhanh (5kHz),
chịu được dòng lớn (4kA) và điện áp cao (6kV), nhưng có giá thành thấp hơn nhiều
so với Thyristor thông thường. Đây sẽ là loại Thyristor lý tưởng cho hệ thống điều
khiển FACTS và các bộ chuyển đổi HVDC. ETO-Thyristor hiện đang được phát
triển trong các bộ bù tĩnh (STATCOM), đóng vai trò như những bộ hấp thu sự cố
lưới điện (Grid shock Absorber).
*) 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 đỏi hỏi chi
phí lớn. Có một cách khác để không phải nâng cấp thay thế thiết bị, đó là sử dụng
các Bộ giới 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 (High-Temperature
Superconductor cable- HTS cable). Các bộ giới hạn dòng sự cố đang được lắp đặt
thử nghiệm tại Mỹ và Nhật Bản.
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 (high-Resistance stabilizer cable). Loại
cáp này có đặc điểm, khi ở trạng thái bình thường, dòng điện được chạy trong lớp
vật liệu siêu dẫn HTS, nhưng khi xảy ra sự cố, lớp trở kháng cao sẽ hoạt động và
cách ly sự cố, khi hết sự cố, lớp siêu dẫn lại hoạt động 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 điểm 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.
Phßng ph¸t triÓn hÖ thèng ®iÖn – ViÖn n¨ng l−îng
12
§Ò tµi nghiªn cøu khoa häc – Nghiªn cøu kh¶ n¨ng øng dông truyÒn t¶i ®iÖn mét chiÒu ë viÖt nam
*) Những nỗ lực phát triển trong truyền tải điện siêu cao áp 1 chiều và xoay
chiều:
Hiện nay, công nghệ truyền tải điện xoay chiều tới 800 kV đã được làm chủ
với 25 năm kinh nghiệm, và về nguyên tắc, không còn rào cản kỹ thuật nào. Công
nghệ truyền tải một chiều +/- 600 kV cũng đã được làm chủ (kinh nghiệm trên 20
năm), riêng cấp điện áp trên +/- 600 kV thì cần được phát triển thêm, chủ yếu là thử
nghiệm thiết bị trong trạm chuyển đổi. Còn đối với đường dây tải điện, các thông số
thiết kế cho cả 2 loại truyền tải đã hoàn toàn xác định. Theo thống kê, nếu làm
quyết liệt thì một hệ thống truyền tải siêu cao áp 1 chiều +/- 600 kV có thể hoàn
thành thiết kế trong 3 năm, còn 1 hệ thống EHVAC có thể thiết kế xong trong 1
năm.
1.3. Các yêu cầu kỹ thuật chính của tryền tải điện siêu
cao áp một chiều
1.3.1. Thành phần cơ bản
Thành phần không thể thiếu của bộ chuyển đổi công suất điện cao áp một
chiều (HVDC) là Valve. Nếu Valve được cấu tạo từ một hoặc nhiều diodes công
suất mắc nối tiếp thì gọi là Valve không điều khiển được, nếu được cấu tạo từ chuỗi
thyristor thì gọi là Valve điều khiển được.
Ký hiệu valve theo IEC (International Electrotechnical Commission) như hình
vẽ sau:
Valve không điều khiển được
Valve điều khiển được
(cấu tạo từ Diode)
(cấu tạo từ Thyristor)
Phßng ph¸t triÓn hÖ thèng ®iÖn – ViÖn n¨ng l−îng
13
§Ò tµi nghiªn cøu khoa häc – Nghiªn cøu kh¶ n¨ng øng dông truyÒn t¶i ®iÖn mét chiÒu ë viÖt nam
Cầu chỉnh lưu không điều khiển được
Cầu chỉnh lưu điều khiển được
Hình : 1: Ký hiệu các Valve và cầu chỉnh lưu
Cầu chỉnh lưu tiêu chuẩn gồm 6 valve xếp thành 2 dãy được minh họa như
hình sau:
Hình : 2: Cấu hình cơ bản mạch chuyển đổi gồm nhóm van 6 xung nối với MBA đấu Yo/Y
Hầu hết các hệ thống chuyển đổi công suất cao áp 1 chiều sử dụng Thyristor
đều dùng cấu hình cầu chỉnh lưu 12 xung.
Phßng ph¸t triÓn hÖ thèng ®iÖn – ViÖn n¨ng l−îng
14
§Ò tµi nghiªn cøu khoa häc – Nghiªn cøu kh¶ n¨ng øng dông truyÒn t¶i ®iÖn mét chiÒu ë viÖt nam
Hình : 3: Cấu hình chỉnh lưu 12 xung, sử dụng 2 MBA đấu Yo/Y và Yo/D
Trong cấu hình trên, điện áp xoay chiều lần lượt cấp cho nhóm Valves 6 xung,
tổng hợp lại, ta có nhóm valve chỉnh lưu 12 xung lệch pha nhau 300, làm triệt tiêu
các dòng điện thứ tự 5 và thứ tự 7 phía xoay chiều, thứ tự 6 phía 1 chiều, làm giảm
chi phí cho bộ lọc sóng hài ở 2 phía xoay chiều và một chiều so với bộ chỉnh lưu 6
xung.
Nhìn vào hình 3, đối với các trạm chuyển đổi sử dụng cấu hình chỉnh lưu 12
xung, ta có 3 nhóm, mỗi nhóm gồm 4 Valves theo chiều thẳng đứng. Mỗi nhóm 4
Valves này được mắc nối tiếp, xếp thành 1 khối thẳng đứng. Điện áp làm việc của
mỗi Thyristor hiện nay vào khoảng vài kV (<10kV), để có điện áp một chiều
+500kV, cần hàng trăm Thyristor mắc nối tiếp. Nhóm 4 Valves trong các trạm
chuyển đổi điện áp siêu cao thường có chiều cao lớn, được gắn lên trần nhà, nhất là
ở những nơi hay xảy ra động đất.
Thyristor Module (hoặc Valve module)
Thyristor Module được cấu tạo gồm một chuỗi Thyristor mắc nối tiếp và các
phụ kiện đi kèm như: hệ thống làm mát bằng không khí, nước hay glycol, các mạch
cản dịu (damping circuits) và hệ thống phát xung kích hoạt. Mỗi Thyristor module
có thể được tháo lắp để bảo dưỡng hoặc thay thế. Nhiều Thyristor Modules sẽ tạo
thành 1 Valve, hoặc nhóm 4 Valve trong cầu chỉnh lưu 12 xung.
Phßng ph¸t triÓn hÖ thèng ®iÖn – ViÖn n¨ng l−îng
15
§Ò tµi nghiªn cøu khoa häc – Nghiªn cøu kh¶ n¨ng øng dông truyÒn t¶i ®iÖn mét chiÒu ë viÖt nam
Hình : 4: Thành phần của một Thyristor Module
1.3.2. Trạm chuyển đổi
Thiết bị trung tâm của trạm chuyển đổi một chiều là bộ chuyển đổi Thyristor,
thường được đặt trong nhà (Valve hall). Các thành phần khác của một trạm chuyển
đổi AC – DC (hoặc DC – AC) được thể hiện trong hình sau:
Hình : 5: Cấu hình cơ bản trạm chuyển đổi AC - DC
Phßng ph¸t triÓn hÖ thèng ®iÖn – ViÖn n¨ng l−îng
16
§Ò tµi nghiªn cøu khoa häc – Nghiªn cøu kh¶ n¨ng øng dông truyÒn t¶i ®iÖn mét chiÒu ë viÖt nam
Trong cấu hình trạm như trên, phía đầu ra một chiều gồm 2 cực (bipole), dòng
về qua đất (ground return). Ở chế độ bình thường, dòng 2 cực bằng nhau, dòng qua
đất là tổng hợp của 2 dòng bằng nhau, ngược chiều nên bị triệt tiêu. Trong một số
trường hợp (vd. sự cố 1 mạch), trạm chỉ có một cực phía D.C. (monopole), dòng về
có thể qua đất hoặc sử dụng đường riêng (có thể dùng vỏ cáp bọc kim loại).
Thành phần quan trọng thứ 2 là máy biến áp chuyển đổi, có nhiệm vụ biến đổi
điện áp từ hệ thống xoay chiều sang phía một chiều sao cho các cầu chỉnh lưu sẽ
cung cấp điện áp đầu ra một chiều chuẩn (ví dụ ±500kV). Đối với các trạm công
suất lớn, máy biến áp chuyển đổi thường sử dụng loại 1 pha nhằm tiết kiệm chi phí
mà vẫn đạt độ tin cậy cao (do chỉ cần một MBA một pha làm dự phòng).
Cuộn thứ cấp của MBA chuyển đổi được nối với hệ thống cầu chỉnh lưu.
MBA chuyển đổi thường đặt trong sân phân phối ngoài trời, còn hệ thống cầu chỉnh
lưu lại được đặt trong nhà, do đó cần có cơ cấu đấu nối xuyên qua tường. Có 2
trường hợp sau: trường hợp 1, đấu nối bằng các thanh cái cách điện bởi khí SF6 khi
khí SF6 được sử dụng làm chất cách điện trong trạm (trạm GIS); trường hợp 2, đấu
nối qua ống dẫn xuyên tường (Wall Bushing). Khi điện áp phía một chiều khoảng
400kV trở lên thì đường ống đấu nối cần được thiết kế cẩn thận nhằm tránh các
hỏng hóc hoặc phá huỷ cách điện từ bên trong.
Thành phần quan trọng thứ 3 là các bộ lọc sóng hài phía xoay chiều và một
chiều.
Sóng hài phát ra phía xoay chiều đối với chỉnh lưu 6 xung có bậc 6n±1, với
chỉnh lưu 12 xung là 12n±1, n= 1, 2, 3, … Thông thường, đối với bộ chỉnh lưu 12
xung, bộ lọc phía xoay chiều cộng hưởng ở sóng hài bậc 11, 13, 23, 25. Đối với
chỉnh lưu 6 xung thì cần có bộ lọc sóng hài bậc 5 và 7. Các bộ lọc sóng hài phía
xoay chiều có thể được đóng mở thông qua máy cắt để điều chỉnh công suất phản
kháng phù hợp với yêu cầu hệ thống, nguyên nhân do các bộ lọc này phát công suất
phản kháng ở tần số cơ bản (50Hz).
Một mạch điện cộng hưởng song song thường được sinh ra một cách tự nhiên
bởi điện dung của các bộ lọc xoay chiều và trở kháng cảm ứng của hệ thống xoay
chiều. Trong trường hợp đặc biệt, mạch này cộng hưởng ở tần số giữa sóng hài thứ
tự 2 và thứ tự 4, thì cần thiết có một bộ lọc sóng hài thứ tự thấp (sóng hài thứ tự 2
hoặc thứ tự 3).
Phßng ph¸t triÓn hÖ thèng ®iÖn – ViÖn n¨ng l−îng
17
§Ò tµi nghiªn cøu khoa häc – Nghiªn cøu kh¶ n¨ng øng dông truyÒn t¶i ®iÖn mét chiÒu ë viÖt nam
Các sóng hài điện áp phía một chiều phát ra bởi bộ chỉnh lưu 6 xung có bậc
thứ tự 6n, phát ra bởi bộ chỉnh lưu 12 xung có bậc thứ tự 12n, n = 1, 2, 3, … Các bộ
lọc phía một chiều làm giảm sóng hài trên đường dây truyền tải nhằm giảm thiểu
nhiễu đối với sóng radio và thông tin liên lạc. Trong trường hợp không có đường
dây truyền tải 1 chiều (vd: trạm Back to Back) thì không cần các bộ lọc phía một
chiều.
Ở mỗi cực của trạm chuyển đổi thường có cuộn cảm 1 chiều (D.C. reactor), có
tác dụng hỗ trợ các bộ lọc một chiều trong việc lọc các sóng hài dòng điện và “là
phẳng” dòng điện một chiều, ngăn chế độ dòng không liên tục khi vận hành với
dòng tải thấp. Do hệ số biến đổi của dòng 1 chiều bị giới hạn bởi cuộn cản nên quá
trình chuyển mạch của bộ chỉnh lưu không cần điều chỉnh tinh.
Các bộ chống sét được sử dụng nhiều trong trạm chuyển đổi: lắp song song
với mỗi Valve, mắc song song với mỗi cầu chỉnh lưu và lắp trong sân phân phối
một chiều, xoay chiều. Các chống sét sẽ phối hợp hoạt động với nhau để bảo vệ quá
điện áp cho thiết bị trong mọi tình huống. Các bộ lọc sóng hài cũng cần được bảo vệ
quá áp bằng chống sét van. Các trạm chuyển đổi siêu cao áp một chiều hiện đại
thường dùng chống sét Oxit kim loại (Metal-Oxide Arester), các thông số của chống
sét được tính toán chọn lựa, phối hợp cách điện rất cẩn thận.
1.3.3. Các kiểu truyền tải điện cao áp 1 chiều
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 (âm – dương).
Cấu hình đơn cực (monopolar configuration):
Hình : 6 : Cấu hình đơn cực, sử dụng bộ chỉnh lưu 12 xung
Phßng ph¸t triÓn hÖ thèng ®iÖn – ViÖn n¨ng l−îng
18
§Ò tµi nghiªn cøu khoa häc – Nghiªn cøu kh¶ n¨ng øng dông truyÒn t¶i ®iÖn mét chiÒu ë viÖt nam
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.
Cấu hình lưỡng cực (bipolar configuration):
Hình : 7: 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. 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 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
Phßng ph¸t triÓn hÖ thèng ®iÖn – ViÖn n¨ng l−îng
19
- Xem thêm -
.PDF 
107 
146 
90 
