TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI ĐIỆN CAO ÁP MỘT CHIỀU (HVDC)
Lịch sử phát triển công nghệ HVDC
Thomas Alva Edison (1847 – 1931) là người phát minh ra điện một chiều và hệ thống truyền tải điện đầu tiên Tuy nhiên, do hạn chế của điện áp thấp, việc truyền tải công suất điện một chiều không hiệu quả cho khoảng cách xa Đầu thế kỷ 20, sự phát triển của công nghệ máy biến áp và động cơ cảm ứng đã giúp điện xoay chiều trở nên phổ biến, trở thành lựa chọn ưu tiên tại nhiều quốc gia trên thế giới.
Sau Thế chiến thứ hai, nhu cầu điện năng gia tăng đã thúc đẩy nghiên cứu về truyền tải điện một chiều, đặc biệt khi cần truyền tải công suất xa hoặc sử dụng cáp ngầm Năm 1950, một đường truyền tải điện một chiều thử nghiệm với điện áp 200kV và chiều dài 116 km đã được đưa vào hoạt động, vận chuyển điện từ Moscow đến Kasira (Liên Xô cũ) Đến năm 1954, đường dây cao áp một chiều đầu tiên được đưa vào vận hành thương mại tại Thụy Điển, với khả năng truyền tải 20 MW điện áp 100 kV.
KV, chiều dài 98 km sử dụng cáp ngầm vượt biển nối giữa đảo Gotland và đất liền
Ngày nay, truyền tải điện một chiều (DC) áp cao đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện toàn cầu Công nghệ truyền tải siêu cao áp một chiều được ưu tiên khi cần tải công suất lớn, khoảng cách xa, kết nối các hệ thống điện không đồng bộ, hoặc xây dựng cáp điện dưới biển Với công suất lớn và khoảng cách dài, truyền tải DC áp cao mang lại lợi thế về chi phí đầu tư và giảm tổn thất so với dòng điện xoay chiều 3 pha truyền thống.
Trên toàn cầu, đã có nhiều công trình truyền tải điện một chiều cao áp (HVDC) được xây dựng, bao gồm 33 trạm Back to Back và 46 đường dây truyền tải Đặc biệt, trong năm 2010, có 6 công trình đã chính thức đi vào vận hành, với 2 dự án tại Mỹ, 1 ở Trung Quốc, 1 giữa Na Uy và Hà Lan, 1 ở Australia, và 1 dự án kết nối Estonia và Phần Lan.
Hiện có 14 hạng mục đường dây siêu cao áp 1 chiều 500 kV đang vận hành trên thế giới trong đó 5 ở Trung Quốc, 3 ở Ấn Độ, 4 ở Mỹ và Canada Chiều dài
17 trung bình của 1 đường dây là 1174 km, công suất tải khoảng từ 1500 đến 3000
Bảng 1.1: Danh sách các dự án truyền tải 1 chiều hiện nay
TT Tên công trình HVDC Năm vận hành/nâng cấp/dỡ bỏ
Khả năng tải (MW) Điện áp một chiều (kV)
26 HVDC Inter-Island 2013 735 350 611 Australia and
Nguồn Standard Handbook for Electrical Engineers, Fink, Donal G – McGraw-Hill Pro Publishing, 2006, page 1015
* Chú thích: B-B: trạm Back to Back
Truyền tải điện một chiều cao áp mang lại nhiều lợi ích hơn so với truyền tải điện xoay chiều trong một số tình huống đặc biệt Sự phát triển của các thiết bị biến đổi đã giúp chúng trở nên gọn nhẹ hơn và giảm chi phí, tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng công nghệ này.
Sự xuất hiện của Thyristor đã làm cho truyền tải điện một chiều cao áp (HVDC) trở nên thu hút hơn Hệ thống HVDC đầu tiên sử dụng thyristor được triển khai vào năm 1972, kết nối "lưng kề lưng" giữa các hệ thống New Brunswick và Quebec của Canada.
Một số hệ thống HVDC điển hình trên thế giới
1.2.1 Hệ thống HVDC +/-600kV Itaipu (Paraquay) – Sao Paulo (Brazil)
Hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC +/-600kV Itaipu – Sao Paulo kết nối thủy điện Itaipu công suất 12600 MW (Paraguay) với thành phố Sao Paulo (Brazil) thông qua 4 mạch DC (2 mạch kép) Hiện tại, hệ thống này thuộc sở hữu của Furnas Centrais Eletricas S.A Pha 1 của dự án bắt đầu với đường dây mạch kép vận hành ở cấp 300 kV vào năm 1984 và đã được nâng cấp lên 600kV vào năm 1985.
Hai đường dây mạch kép còn lại đã được đưa vào vận hành từ năm 1987 Ban đầu, trạm chuyển đổi hoạt động với công suất dạng bậc thang, tương ứng với các giai đoạn lắp đặt máy móc của nhà máy thủy điện.
Hình 1.1: Bản đồ vị trí tuyến HVDC +/-600kV Itaipu – Sao Paulo
Một số thông số kỹ thuật:
- Công suất truyền tải: 3150 (mạch 1) + 3150 (mạch 2) = 6300 MW
- Chiều dài đường dây trên không: 785 km + 805 km
Lý do chính để lựa chọn công nghệ truyền tải điện một chiều cao áp (HVDC) là khoảng cách lớn giữa hai hệ thống điện có tần số khác nhau; cụ thể, máy phát tại Itaipu hoạt động ở tần số 50 Hz, trong khi nơi nhận tại Sao Paulo có tần số 60 Hz Hiện tại, 6300 MW công suất còn lại từ nhà máy thủy điện Itaipu được truyền về Sao Paulo thông qua ba mạch đường dây xoay chiều 750 kV.
1.2.2 Hệ thống HVDC Leyte – Luzon, Philipines
Công ty năng lượng quốc gia Philippines đã triển khai hệ thống HVDC đơn cực công suất 440 MW với điện áp DC 350kV, bao gồm đoạn cáp ngầm qua biển, nhằm truyền tải điện từ nhà máy điện địa nhiệt trên đảo Leyte đến phía nam đảo Luzon, phục vụ cho lưới điện xoay chiều khu vực Manila Hệ thống này chính thức đi vào hoạt động vào tháng 8 năm 1998.
Kết nối với hệ thống HVDC mang lại lợi ích rõ rệt cho cả phụ tải công nghiệp và dân cư, nhờ vào khả năng cung cấp công suất bổ sung đáng kể và cải thiện tính ổn định của lưới điện xoay chiều.
Hình 1.2: Bản đồ vị trí tuyến HVDC Leyte – Luzon, Philipines
Một số thông số kỹ thuật của hệ thống:
- Thời gian đi vào vận hành: 1998
- Công suất truyền tải: 440 MW
- Cấp điện áp một chiều: 350kV
- Chiều dài của đường dây trên không: 430km
- Chiều dài đoạn cáp ngầm qua biển: 21km
1.2.3 Hệ thống liên kết HVDC “back to back” giữa Argentina và Brazil
Trạm biến đổi HVDC công suất 1100kV với điện áp DC 70kV được đặt tại Garabi, Brazil, gần biên giới Argentina, nhằm kết nối và truyền tải hai hệ thống điện áp 60.
Vào đầu những năm 2000, Argentina và Brazil đã thiết lập liên kết hai chiều HVDC "back to back" với tần số 60 Hz và 50 Hz, giúp tối ưu hóa việc sử dụng nguồn điện giữa hai quốc gia Hệ thống truyền tải xuyên biên giới này không chỉ nâng cao hiệu quả mà còn đảm bảo sự ổn định trong cung cấp điện năng cho cả hai nước.
Hình 1.3: Bản đồ vị trí tuyến liên kết HVDC “back to back” giữa Argentina và
Nguyên lý hoạt động của HVDC
Hình 1.4: Hình dạng sóng điện áp và dòng điện trong quá trình chuyển đổi
Hình 1.4 là sơ đồ cơ bản của bộ chuyển đổi dùng cầu chỉnh lưu – nghịch lưu
Thysistor được sử dụng trong nhiều ứng dụng quan trọng Cầu chỉnh lưu và nghịch lưu có cấu trúc tương tự nhau; cầu chỉnh lưu chuyển đổi dòng điện từ xoay chiều (AC) sang một chiều (DC), trong khi cầu nghịch lưu thực hiện ngược lại, chuyển đổi từ DC sang AC Các bộ chuyển đổi công suất hoạt động khác nhau tùy thuộc vào góc mở α, với bộ chỉnh lưu hoạt động hiệu quả ở các góc mở xác định.
Trong khoảng góc 0° < α < 90°, bộ nghịch lưu hoạt động hiệu quả, trong khi ở góc 90° < α < 180°, nó cũng có khả năng làm việc Các van Thysistor hoạt động như những công tắc, mở ra và dẫn dòng khi nhận xung kích hoạt tại cực điều khiển, đồng thời có điện áp thuận trên hai cực Anot và Katot Mỗi Thysistor chỉ cho phép dòng chảy theo một chiều duy nhất và sẽ khóa lại khi có điện áp ngược đặt lên hai cực A – K, dẫn đến dòng điện giảm về 0.
Các van Thysistor có đặc tính quan trọng là khi dòng điện giảm xuống 0 và điện áp ngược được áp dụng mà không có xung điều khiển, Thysistor sẽ bị khóa Tuy nhiên, nếu tốc độ tăng điện áp thuận quá nhanh, Thysistor có thể mở và dẫn đến dòng điện không mong muốn Do đó, việc thiết kế van Thysistor và cầu chuyển đổi cần chú ý để tránh tình trạng này, bao gồm việc lắp đặt các thiết bị bảo vệ chống sét.
Quá trình chỉnh lưu và nghịch lưu của các bộ chuyển đổi công suất cao áp một chiều dựa trên việc chuyển mạch tự nhiên Các van hoạt động như thiết bị chuyển mạch, cho phép điện áp xoay chiều đầu vào (AC) được đóng mở để tạo ra điện áp một chiều Đồng thời, đầu ra của trạm nghịch lưu phải cung cấp điện áp xoay chiều ba pha sạch, không có sóng hài Khi một van mở, nó dẫn dòng, trong khi van tiếp theo giảm dần dòng về 0 và đóng lại, cho phép dòng điện chảy qua hai van xác định trong quá trình chuyển mạch.
Quá trình chỉnh lưu: Mỗi van sẽ mở khi nó nhận được xung kích hoạt ở cổng
Khi điện áp thuận G vượt quá điện áp thuận của van dẫn, dòng điện qua van không thể thay đổi đột ngột do sự chuyển mạch phải qua cuộn dây máy biến áp Giá trị điện kháng chuyển mạch tại bộ chỉnh lưu và nghịch lưu được mô phỏng bởi điện kháng Xc Tổng hợp các dòng điện qua van sẽ được xem xét trong quá trình này.
Chuyển đổi sang dòng điện một chiều (DC) và chạy qua cuộn kháng một chiều giúp làm mịn dòng điện đầu ra của bộ chỉnh lưu Việc sử dụng kháng san phẳng và kháng chuyển mạch trong máy biến áp đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định và cải thiện chất lượng dòng điện một chiều.
Quá trình nghịch lưu trong hệ thống điện xoay chiều ba pha diễn ra khi điện áp xoay chiều được cung cấp từ lưới điện qua máy biến áp đến các van của bộ nghịch lưu Điện áp này tác động lên Thysistor, tạo ra điện áp thuận và điện áp nghịch, từ đó kích hoạt quá trình chuyển mạch giữa các van tương tự như trong chỉnh lưu Để các van có thể mở và dẫn dòng, điện áp trên đường dây một chiều cần có giá trị tuyệt đối lớn hơn giá trị trung bình điện áp chuyển mạch phía nghịch lưu.
Trong quá trình chuyển mạch, dòng điện không hình sin được sinh ra ở bộ chỉnh lưu và cung cấp cho hệ thống xoay chiều phía nghịch lưu, cả hai đều chậm pha so với điện áp xoay chiều Các dòng điện này bao gồm sóng tần số cơ bản và sóng hài tần số cao, cần được loại bỏ trước khi vào hệ thống điện xoay chiều thông qua các bộ lọc xoay chiều, nhằm đảm bảo điện áp ra không có sóng hài Đối với đường dây liên kết một chiều với phương thức chuyển mạch tự nhiên, dòng công suất chỉ truyền theo một hướng, bởi các van chỉ cho phép dẫn dòng theo một chiều nhất định Hướng công suất chỉ có thể đổi chiều khi thay đổi cực tính của điện áp một chiều, và để vận hành trao đổi công suất theo hai chiều, cần tác động vào hệ thống điều khiển xung kích hoạt van ở cả hai đầu chỉnh lưu nghịch lưu.
Kết luận
Truyền tải cao áp một chiều (HVDC) là giải pháp lý tưởng cho việc chuyển giao năng lượng lớn qua khoảng cách dài, kết nối các hệ thống không đồng bộ và cáp xuyên biển So với truyền tải ba pha AC, HVDC có chi phí thấp hơn và tổn thất năng lượng ít hơn, làm cho nó trở thành lựa chọn ưu việt cho các dự án truyền tải dài hạn.
Cấu hình lưỡng cực 24 với hai cực độc lập tương tự như đường dây mạch đôi xoay chiều, mang lại khả năng điều khiển hiệu quả Liên kết HVDC cung cấp công suất ổn định, không bị ảnh hưởng bởi tắc nghẽn mạng hoặc loop trên các đường dây song song So với truyền tải AC, HVDC có khả năng truyền tải công suất cao hơn trên khoảng cách dài hơn, đồng thời giảm thiểu số lượng đường dây và cáp cần thiết.
Sự phát triển của công nghệ bán dẫn đã đưa các thyristor trở thành thành phần quan trọng trong các trạm biến đổi Các thiết bị biến đổi hiện nay ngày càng nhỏ gọn và có giá thành giảm, góp phần làm cho hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC) trở nên phổ biến và đáng tin cậy trên toàn thế giới.
50 năm Đây là một dự án tiềm năng đối với hệ thống truyền tải điện của Việt Nam trong tương lai gần
BỘ BIẾN ĐỔI LÀM VIỆC Ở CHẾ ĐỘ CHỈNH LƯU, NGHỊCH LƯU
Bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu
Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng dòng điện một chiều
Sơ đồ cấu trúc thường gặp của một bộ chỉnh lưu hình 2.1:
Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc của một bộ chỉnh lưu
MBA, hay máy biến áp, là thiết bị chuyển đổi điện áp quy chuẩn của lưới điện xoay chiều thành điện áp xoay chiều phù hợp với yêu cầu của tải Nó thực hiện việc biến đổi số pha của nguồn lưới sang số pha cần thiết cho mạch van.
- MV: Mạch van, là các van bán dẫn được mắc với nhau theo một cách nào đó để thực hiện quá trình chỉnh lưu
- ML: Mạch lọc, nhằm đảm bảo điện áp (hoặc dòng điện) một chiều cấp cho tải là bằng phẳng theo yêu cầu
Bộ chỉnh lưu được phân loại theo hai tiêu chí chính: thứ nhất, theo số pha nguồn cấp, bao gồm bộ chỉnh lưu một pha, hai pha, ba pha và sáu pha; thứ hai, theo loại van bán dẫn sử dụng trong mạch chỉnh lưu.
- Mạch van dùng toàn Diot: Mạch chỉnh lưu không điều khiển
- Mạch van dùng toàn Tiristor hoặc BJT hoặc MOSFET hoặc IGBT: Mạch chỉnh lưu có điều khiển Thực tế chủ yếu dùng loại van là Tiristor
- Mạch chỉnh lưu dùng cả hai loại Diot và Tiristor: Mạch chỉnh lưu bán điểu khiển
2.1.3 Các tham số chỉnh lưu
Các tham số này dùng để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật trong phân tích hoặc thiết kế mạch chỉnh lưu: a) Điện áp ra trung bình U d
Trong đó: U d là giá trị trung bình của điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu b) Dòng điện ra trung bình I d
(2.2) Trong đó: I d là giá trị trung bình của dòng điện đầu ra của bộ chỉnh lưu
- Công suất một chiều của bộ chỉnh lưu:
(2.3) c) Các tham số của van bán dẫn
- I tbv : Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua một van của mạch động lực bộ biến đổi
U ng max là giá trị điện áp ngược cực đại mà van phải chịu khi hoạt động, đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn van bán dẫn phù hợp nhằm tránh hỏng hóc Ngoài ra, tham số nguồn xoay chiều cung cấp cho bộ chỉnh lưu cũng cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.
Giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện ở phía sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp được ký hiệu lần lượt là U1, I1, U2i và I2i Số cuộn dây ở phía thứ cấp của máy biến áp được biểu thị bằng m.
P d là công suất một chiều của bộ chỉnh lưu K sd là hệ số, hệ số này càng gần 1 thì bộ chỉnh lưu có hiệu suất càng tốt
Hệ thống HVDC làm việc với sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha nên dưới đây ta chỉ đi sâu nghiên cứu về sơ đồ này
2.1.4 Bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu (Chỉnh lưu cầu ba pha dùng Thyristor)
Hình 2.2: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha dùng Thysirtor
Quan sát hình 2.2 ta thấy chỉnh lưu cầu 3 pha gồm 6 thysirtor chia thành 2 nhóm Catot chung: T 1 , T 3 , T 5 ; nhóm Anot chung: T 2 , T 4 , T 6
Giản đồ điện áp và dòng điện của bộ chỉnh lưu cầu ba pha sử dụng Thyristor cho phép tóm tắt hoạt động của hệ thống trong hơn một chu kỳ.
- Trong khoảng 5 6 hai van T 4 và T 5 cùng dẫn dòng: i T 1 = 0; i T 2 = 0; i T 3 = 0; i T 4 =i d =I d ; i T 5 = i d =I d ; i T 6 = 0 ; u d = u c - u a = u c a ; u T 1 = u a c ; u T 2 = u a c ; u T 3 = u b c ; u T 4 = 0; u T 5 = 0; u T 6 = u a b ;
- Trong khoảng 6 7 hai van T 5 và T 6 cùng dẫn dòng: i T 1 = 0; i T 2 = 0; i T 3 = 0; i T 4 = 0; i T 5 = i d =I d ; i T 6 = i d =I d ; u d = u c - u b = u c b ; u T 1 = u a c ; u T 2 = u b c ; u T 3 = u b c ; u T 4 = u b a ; u T 5 = 0; u T 6 = 0
- Trong khoảng 1 2 hai van T 1 và T 6 cùng dẫn dòng: t 4 t 5 a c b t 1 t 2 t 3 e d l d r d t 6 u d
- Trong khoảng 2 3 hai van T 1 và T 2 cùng dẫn dòng: i T 1 = i d =I d ; i T 2 = i d =I d ; i T 3 = 0; i T 4 = 0; i T 5 = 0; i T 6 = 0; u d = u a - u c = u a c ; u T 1 = 0; u T 2 = 0; u T 3 = u b a ; u T 4 = u c ; u T 5 = u c a ; u T 6 = u c b
- Trong khoảng 3 4 hai van T 2 và T 3 cùng dẫn dòng: i T 1 = 0; i T 2 = i d =I d ; i T 3 = i d =I d ; i T 4 = 0; i T 5 = 0; i T 6 = 0 ; u d = u b - u c = u b c ; u T 1 = u a b ; u T 2 = 0; u T 3 = 0; u T 4 = u c a ; u T 5 = u c b ; u T 6 = u c b
- Trong khoảng 4 5 hai van T 3 và T 4 cùng dẫn dòng: i T 1 = 0; i T 2 = 0; i T 3 = i d =I d ; i T 4 = i d =I d ; i T 5 = 0; i T 6 = 0 u d = u b - u a = u b a ; u T 1 = u a b ; u T 2 = u a c u T 3 = 0; u T 4 = 0; u T 5 = u c b ; u T 6 = u a b
Và từ 7 thì sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc giống như 1
Một số biểu thức tính toán
Công suất tính toán máy biến áp:S ttBA 1,05.U d I d
Ta có giản đồ điện áp và dòng điện như hình 2.3:
Hình 2.3: Giản đồ điện áp, dòng điện bộ chỉnh lưu cầu 3 pha dùng Thysirtor
2.1.5 Mạch điều khiển bộ chỉnh lưu Đối với chỉnh lưu Thysirtor thì mạch điều khiển có vai trò rất quan trọng vì nó quyết định đến chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi Thysirtor chỉ mở cho dòng điện chạy qua khi có điện áp dương đặt lên anot và xung điện áp dương đặt lên cực điều khiển Sau khi Thysirtor đã mở thì xung điều khiển không còn tác dụng, dòng điện chảy qua Thysirtor do thông số của mạch động lực quyết định u a u b u c
2.1.5.1 Các h ệ điề u khi ể n ch ỉnh lưu
Có hai hệ điều khiển chỉnh lưu:
Hệ đồng bộ là hệ thống trong đó góc điều khiển mở van α được xác định từ một thời điểm cố định của điện áp mạch lực, thường lấy qua điểm không của điện áp trong chỉnh lưu một pha Để đảm bảo mạch điều khiển hoạt động đồng bộ với điện áp lực, cần có một khâu đồng pha thực hiện nhiệm vụ này.
Hệ không đồng bộ không xác định góc α theo điện áp lực mà dựa vào trạng thái tải chỉnh lưu và góc điều khiển của xung mở van trước đó Mạch điều khiển này không yêu cầu khâu đồng bộ, nhưng để bộ chỉnh lưu hoạt động hiệu quả, cần thực hiện điều khiển theo mạch vòng kín, không thể áp dụng mạch hở.
Hệ đồng bộ có nhược điểm là nhạy cảm với nhiễu từ lưới điện do liên quan đến điện áp lực, nhưng bù lại, nó lại có ưu điểm là hoạt động ổn định và dễ dàng triển khai.
Hệ không đồng bộ có khả năng chống nhiễu lưới điện tốt hơn nhưng lại kém ổn định Hiện nay, hầu hết các mạch điều khiển chỉnh lưu đang sử dụng hệ đồng bộ, vì vậy bài viết này sẽ chỉ tập trung vào hệ thống đồng bộ.
2.1.5.2 Các nguyên t ắc điề u khi ể n trong h ệ đồ ng b ộ Để điều chỉnh góc mở của các Thysirtor trong nửa chu kỳ điện áp dương, ta thường dùng hai nguyên tắc điều khiển: Thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng arcos a, Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính (hình 2.4): Theo nguyên tắc này, người ta dùng 2 điện áp: Điện áp đồng bộ (Uđb), đồng bộ với điện áp đặt trên cực A-K của Thysirtor, thường đặt vào đầu đảo của khâu so sánh Điện áp điều khiển (Uđk) là điện áp 1 chiều có thể điều chỉnh được biên độ Thường đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh
=> Lúc này hiệu điện thế đầu vào của khâu so sánh là:
Trong đó: U ss là điện áp đầu vào của khâu so sánh
Khi Uđk = Uđb, khâu so sánh lật trạng thái sẽ tạo ra sườn xuống của điện áp đầu ra Sườn xuống này, thông qua đa hài, tạo ra một trạng thái ổn định và sản sinh ra xung điều khiển.
Như vậy, bằng cách làm biến đổi Uđk người ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra, tức là điều khiển góc mở α của Thysiror
Giữa góc α và Uđk có quan hệ sau: α = πUđk/U đb (người ta lấy Uđkmax=U đb )
Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính và arcos sử dụng hai loại điện áp Điện áp điều khiển U c là điện áp một chiều có khả năng điều chỉnh biên độ theo cả hai hướng âm và dương Trong khi đó, điện áp đồng bộ U r dẫn trước điện áp A-K của Thyristor một góc π/2, với mối quan hệ uak = Asinωt và ur = Bcosωt.
Hình 2.5: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng Arccor
Trên hình 2.5, đường nét đứt biểu thị điện áp A-K của Thyristor Từ điện áp này, ta tạo ra ur Tổng đại số của ur và uc được đưa vào đầu vào của khâu so sánh.
+ u c = 0 thì ta nhận được một xung đầu ra của khâu so sánh u c osα =0
Do đó, α=arcos(-u c /B) (người ta lấy B = u cmax )
Khi u c =0 thì α=π/2 Khi u c =u cmax thì α=π Khi u c =-u cmax thì α=0 Như vậy khi u c biến thiên từ -u c đến +u c thì α biến thiên từ 0 đến π
Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arcos được áp dụng trong các thiết bị yêu cầu chất lượng cao Hiện nay, điều khiển Thyristor trong chỉnh lưu chủ yếu sử dụng nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính.
Hình 2.6: Nguyên lý điều khiển chỉnh lưu 2 1.5.3 Sơ đồ c ấ u trúc m ạch điề u khi ể n
Ta có sơ đồ khối mạch điều khiển Thysistor như hình 2.7 và sơ đồ tổng quan về một kênh điều khiển Thysirtor hình 2.8
Hình 2.7: Sơ đồ khối mạch điều khiển Thysirtor
Cấu trúc của một mạch điều khiển Thysirtor gồm 3 khâu chính sau đây:
Bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lưu
Trong lĩnh vực biến đổi năng lượng điện, việc chuyển đổi nguồn điện một chiều thành điện áp hoặc dòng điện xoay chiều có thể điều chỉnh về giá trị và tần số là rất quan trọng Quá trình này cho phép tạo ra các tín hiệu xoay chiều đầu ra linh hoạt, đáp ứng nhu cầu sử dụng khác nhau trong các ứng dụng điện.
Các thiết bị biến đổi phổ biến nhất hiện nay là bộ biến đổi một chiều sang xoay chiều, thường sử dụng các dụng cụ bán dẫn có điều khiển, còn được gọi là sơ đồ nghịch lưu.
Tùy theo đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện mà ta có bộ nghịch lưu áp hay bộ nghịch lưu dòng
Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có đặc tính nguồn điện áp, trong khi nguồn cho bộ nghịch lưu dòng lại mang tính chất nguồn dòng điện Các bộ nghịch lưu này đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng.
Bộ nghịch lưu áp nguồn và bộ nghịch lưu dòng nguồn, thường được gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng, là hai loại thiết bị quan trọng trong hệ thống điện Bộ nghịch lưu áp nguồn giúp chuyển đổi điện áp, trong khi bộ nghịch lưu dòng nguồn chuyển đổi dòng điện, đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý và điều khiển năng lượng điện.
2.2.3 Nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu cầu ba pha
Bộ chỉnh lưu và nghịch lưu có tính chất thuận nghịch, với vai trò phụ thuộc vào góc mở α Trong chế độ nghịch lưu, bộ nghịch lưu hoạt động để trả năng lượng về lưới.
Xét bộ nghịch lưu cầu ba pha được cung cấp từ lưới điện hình 2.9
Hình 2.9: Sơ đồ nghịch lưu cầu ba pha được cung cấp từ lưới điện
Sơ đồ nghịch lưu cầu ba pha gồm 6 Thysistor chia làm hai nhóm:
- Nhóm katot chung: T 1 , T 3 , T 5 nối với cực âm của bộ nghịch lưu
- Nhóm anot chung: T 2 , T 4 , T 6 nối với cực dương của bộ nghịch lưu
Hình 2.10: Dạng sóng điện áp bộ nghịch lưu cầu ba pha cung cấp từ lưới điện
Các thyristor thuộc nhóm anot hoạt động với các giá trị dương của điện áp pha, tương ứng với phần trên của đồ thị hình sin Ngược lại, nhóm thyristor katot làm việc với các phần âm của hình sin trên đồ thị điện áp.
Thysistor sẽ dẫn điện khi góc sớm pha β nằm bên trái giao điểm của các phần dương của sóng hình sin với nhóm anot chung, trong khi phần âm tương ứng với nhóm katot chung Mối quan hệ giữa góc β và α được biểu diễn qua công thức β = π – α.
Góc dập tắt γ = β – μ là một thông số quan trọng trong chế độ nghịch lưu, thể hiện thời gian cần thiết để thyristor phục hồi hoàn toàn tính chất khóa của nó Điều này đảm bảo rằng khi điện áp dương tiếp theo xuất hiện, thyristor sẽ không bị thông sớm.
Nếu sự thông sớm xảy ra, nó sẽ làm đảo ngược trạng thái của bộ nghịch lưu, dẫn đến hiện tượng ngắn mạch điện áp một chiều và xoay chiều Đối với hệ thống có tần số 50 Hz, giá trị γmin thường là 18 độ.
Giá trị điện áp thuận cực đại mà mỗi thysistor phải chịu là:
Giá trị điện áp trung bình của bộ nghịch lưu:
Giá trị của dòng điện một chiều:
2.2.4 Nguyên lý cơ bản của điều khiển nghịch lưu phụ thuộc
Hình 2.11: Sơ đồ cấu trúc cơ bản mạch chuyển đổi dùng cầu chỉnh lưu – nghịch lưu
Cầu chỉnh lưu và nghịch lưu có cấu tạo tương tự nhau, với chức năng khác biệt: cầu chỉnh lưu chuyển đổi dòng xoay chiều (AC) sang một chiều (DC), trong khi cầu nghịch lưu thực hiện ngược lại Các bộ biến đổi công suất hoạt động dựa trên góc điều khiển α, với bộ chỉnh lưu hoạt động trong khoảng 0° < α < 90° và bộ nghịch lưu trong khoảng 90° < α < 180° Van Thysirtor có vai trò quan trọng trong việc điều khiển dòng điện, cho phép dẫn dòng khi nhận xung kích hoạt vào cực điều khiển và có điện áp thuận giữa hai cực A và K Mỗi Thysirtor chỉ dẫn dòng theo một chiều duy nhất và sẽ khóa khi có điện áp ngược đặt lên hai cực A và K, đồng thời dòng điện về 0.
• Nếu < 90 0 điện áp UCL > 0 năng lượng cấp từ nguồn xoay chiều đến nguồn một chiều (hình 2.12)
Hình 2.12: Dòng điện và điện áp nguồn nhận với = 30 0
• Nếu > 90 0 điện áp U CL < 0 năng lượng cấp từ nguồn một chiều đến nguồn xoay chiều (hình 2.13)
Hình 2.13: Dòng điện và điện áp nguồn nhận với = 150 0
Bộ biến đổi tiêu thụ công suất phản kháng chỉ hoạt động hiệu quả khi có hệ số công suất liên quan đến bộ biến đổi ở phía xoay chiều Hệ số này có thể được tính toán một cách chính xác để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Công suất có ích cung cấp cho đường dẫn 1 chiều = V d I d
Công suất có ích cung cấp từ hệ thống xoay chiều = √
Khi bộ biến đổi không tiêu thụ bất kỳ 1 công suất có ích nào phải có sự cân bằng công suất
Từ hệ số công suất có thể tính toán như sau:
Nó đưa ra kết quả sau:
Cosφ = ẵ(cosα + cosω)=1/2[cosα+cos(α+γ)] (2.17) Trong sự vắng mặt của chuyển mạch nó được rút gọn như sau:
Góc α là chỉ số của hệ số công suất khi không có chuyển mạch Khi có chuyển mạch, hệ số công suất có ích sẽ giảm do góc hiệu quả tăng lên.
Với γ = 0, truyền tải công suất có ích là √ và bằng 0 khi α = 90 0
Khi một cuộn cảm được kết nối với tải, công suất truyền tải bị giới hạn khi sử dụng chỉnh lưu với α = 90 độ Nếu không có cuộn cảm kết nối với tải (i.e Ld = 0), điện áp và dòng điện dạng sóng có thể trở nên giống nhau, đặc biệt khi tải là thuần trở Trong những điều kiện này, điện áp có thể không âm tại bất kỳ thời điểm nào, vì dòng điện không thể chạy ngược lại qua Thyristor.
[8] Công suất truyền tải có thể bằng 0 nếu α = 120 0 ta có thể quan sát kỹ hơn trên hình 2.14
Hình 2.14: Đồ thị dạng sóng của điện áp và cường độ dòng điện đầu ra điển hình
2.2.4.2 Phương trình điề u khi ể n h ệ th ố ng HVDC
Hình 2.15: Sơ đồ mạch tương đương HVDC
Hình 2.15 mô tả các yếu tố quan trọng trong hệ thống điều khiển, bao gồm góc điều khiển (γ) và góc tắt Các điện kháng chuyển mạch tương đương với bộ chỉnh lưu và nghịch lưu được ký hiệu là Rcr và Rci Bên cạnh đó, Udr và Udi là điện áp dây hiệu dụng AC phía chỉnh lưu và nghịch lưu.
Dòng điện 1 chiều đi từ chỉnh lưu đến nghịch lưu:
Công suất ở đầu chỉnh lưu:
Công suất ở đầu nghịch lưu:
2.2 4.3 Đặc tính điề u khi ể n Đặc tính điều khiển của bộ biến đổi là đồ thị biến thiên của điện áp một chiều dựa theo dòng điện một chiều [8]
Đặc tính điện áp tự nhiên (NV) được xác định bởi góc trễ α = 0, với công thức tính V d = V 0 – (3ωL c /π)I d Đặc tính điều khiển góc mở cố định (CIA) có đặc tính tương tự, song song với đặc tính NV và bị giới hạn bởi V 0 cosα.
Hình 2.16: Đặc tính NV và CIA của điều khiển chỉnh lưu 2.2.4.3.2 Điều khiển góc tắt không đổi (CEA)
Nghịch lưu thường được điều khiển duy trì góc tắt không đổi Đặc tính được tính theo công thức V d = V 0 cosδ – (3ωLc/π)I d Quan sát hình 2.17:
Hình 2.17: Đặc tính điều khiển CIA của chỉnh lưu 2.2.3.4.3 Điều khiển dòng điện không đổi
Kết luận
Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn dùng Thysistor được sử dụng trong truyền tải HVDC Mạch có chức năng biến đổi năng lượng xoay chiều sang
Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu phụ thuộc vào góc điều khiển α và dòng điện tải I d theo đặc tuyến ngoài Khi góc điều khiển α tăng, điện áp đầu ra sẽ giảm, mặc dù dòng điện tải vẫn giữ nguyên Thay đổi góc điều khiển cho phép điều chỉnh công suất truyền tải một chiều và ngược lại.
Trong chế độ nghịch lưu, góc sớm pha β = π – α = θ + γ cần có giá trị thích hợp để đảm bảo góc dập tắt lớn hơn góc dập tắt tối thiểu Cụ thể, điều kiện γ = β – θ ≥ γ0 (trong đó γ0 = ωt0, với t0 là khoảng thời gian để các Thyristor khóa chắc chắn từ thời điểm Thyristor kết thúc dẫn điện) cần được thỏa mãn.
Khi tăng góc điều khiển α, các thành phần đập mạch trong điện áp chỉnh lưu cũng gia tăng Vì vậy, để đảm bảo hiệu suất, cần điều chỉnh tham số của bộ lọc san phẳng trong mạch chỉnh lưu tương ứng với sự tăng lên của góc điều khiển α.
CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN CAO ÁP MỘT CHIỀU
Nguyên lý của hệ thống HVDC
Quá trình truyền tải điện năng giữa trạm truyền (Trạm Rectifier) và trạm đến (Trạm Inverter) liên quan đến việc chuyển đổi điện năng giữa hai trạm biến đổi Tại trạm biến đổi, điện áp xoay chiều được đưa qua trạm biến áp để tạo ra điện áp xoay chiều phù hợp cho bộ biến đổi Bộ biến đổi sẽ chuyển đổi điện xoay chiều thành điện một chiều, sau đó được truyền qua đường dây một chiều đến trạm biến đổi tiếp theo Tại đây, điện áp và dòng một chiều được làm phẳng bằng cuộn san dòng và loại bỏ sóng hài bằng bộ lọc một chiều Cuối cùng, tại trạm biến đổi, dòng điện và điện áp một chiều được chuyển đổi trở lại thành dòng và điện áp xoay chiều, và điện áp này được đưa qua trạm biến áp để đạt được điện áp xoay chiều mong muốn.
Trong quá trình truyền tải điện năng giữa hai trạm, vai trò của các mạch điện biến đổi có thể thay đổi, dẫn đến sự đảo chiều của luồng công suất Tại các trạm biến đổi, công suất phản kháng được cung cấp bởi các nguồn phản kháng Hệ thống truyền tải HVDC được minh họa qua sơ đồ nguyên lý trong hình 3.1.
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống truyền tải HVDC
Cầu hình của hệ thống HVDC
Hệ thống này dùng một dây dẫn thường sử dụng cực tính âm Đường trở về có thể dùng nước hoặc đất như hình 3.2:
Hình 3.2: Kết nối đơn cực
3.2.2 Kết nối hai cực đồng nhất
Kết cấu hai cực đồng nhất bao gồm hai hoặc nhiều đường dẫn cùng cực tính, thường là cực âm, nhằm giảm nhiễu do vầng quang trên đường dây DC Cực dương được nối vào hệ thống nối đất mà không cần đường dẫn riêng.
Hình 3.3: Kết nối hai cực đồng nhất
Mặc dù kết cấu này giúp giảm chi phí lắp đặt, nhưng do dòng qua đất lớn, nên đường dây không nên quá dài và thường được sử dụng cho các trạm tập trung (back to back).
3.2.3 Kết nối hai cực ngƣợc
Kết nối này bao gồm hai dây, một dây dương và một dây âm, với mỗi đầu được trang bị bộ biến đổi điện áp định mức mắc nối tiếp theo hướng một chiều, như thể hiện trong hình 3.4.
Hình 3.4: Kết nối hai cực
Cấu tạo của hệ thống HVDC
Hình 3.5: Cấu trúc hệ thống HVDC
Quan sát hình 3.5 ta thấy một hệ thống truyền tải HVDC bao gồm các thiết bị chính sau:
- Đường dây truyền tải một chiều
- Hệ thống bảo vệ và điều khiển
Máy biến áp thường có cấu hình 3 pha hoặc tổ hợp 3 máy biến áp 1 pha Trong đó, phía thứ cấp được nối hình sao và tam giác, trong khi phía sơ cấp của máy biến áp được nối sao và liên kết song song.
Máy biến áp cho bộ biến đối được thiết kế với khe hở cách điện giữa cuộn dòng và gông từ lớn hơn so với máy biến áp thông thường Thiết bị này có khả năng chịu đựng điện áp một chiều và giảm thiểu tổn hao dòng xoay chiều, nhờ vào việc kiểm soát từ thông chứa nhiều sóng hài, giúp hạn chế tình trạng nóng dầu máy biến áp.
Khi vận hành, các pha của máy biến áp không làm việc đồng thời mà luân phiên theo các cực dương của bộ biến đổi, dẫn đến trạng thái không đối xứng Do đó, cần chọn sơ đồ nối dây phù hợp để đảm bảo từ hóa bình thường của trụ lõi thép và giảm thiểu sự đập mạch của điện áp và dòng điện chỉnh lưu Điều áp dưới tải của máy biến áp sẽ tác động khi điện áp xoay chiều thay đổi, góp phần giảm công suất phản kháng cung cấp cho bộ biến đổi.
I dN : Dòng 1 chiều danh nghĩa
: Biến áp van (chỉnh lưu)
√ (3.2) Trong đó: : Biến áp van (nghịch lưu)
Trạm chuyển đổi một chiều là thiết bị chuyển đổi sử dụng Thyristor, thường được lắp đặt trong nhà Nó là một phần quan trọng trong hệ thống chuyển đổi AC – DC hoặc DC – AC, với các thành phần khác được minh họa trong hình ảnh kèm theo.
Hình 3.6: Cấu hình cơ bản trạm chuyển đổi AC – DC
Trong cấu hình trạm một chiều, dòng điện được truyền qua hai cực (bipole) với dòng về qua đất Ở chế độ bình thường, hai dòng này bằng nhau và triệt tiêu lẫn nhau khi đi qua đất Tuy nhiên, trong một số trường hợp như sự cố một mạch, trạm chỉ sử dụng một cực phía DC (monopole), lúc này dòng về có thể đi qua đất hoặc sử dụng đường riêng, chẳng hạn như vỏ cáp bọc kim loại.
3.3.3.1 Tiêu chí thi ế t k ế B ộ l ọ c công su ấ t ph ả n kháng cho AC yêu c ầ u Ở phía xoay chiều của bộ biến đổi sóng hài được sinh ra, các sóng hài bậc
Các sóng hài như 11, 13, 23, 25 không chỉ gây nhiễu tín hiệu mà còn dẫn đến tổn thất, méo dạng điện áp và làm thiết bị phát nóng Để hạn chế sóng hài trong lưới điện, các bộ lọc được lắp đặt nhằm giảm thiểu tác động này Bộ lọc có thể sử dụng các phần tử thụ động L - C, trong khi tương lai có thể áp dụng bộ lọc xoay chiều tích cực Trong quá trình hoạt động, bộ biến đổi tiêu thụ một lượng lớn công suất phản kháng, phần nào được bù đắp bởi các nhóm bộ lọc và phần còn lại bởi nhóm tụ điện.
Tiêu thụ công suất phản kháng của bộ chuyển đổi HVDC phụ thuộc vào công suất hoạt động, điện kháng biến áp và các góc điều khiển Để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho trạm biến đổi, cần bù toàn bộ hoặc bù tại tải định mức Những yếu tố này sẽ quyết định kích thước và số lượng bộ lọc cùng tụ bù cần thiết.
3.3.3.2 Các yêu c ầ u th ự c hi ện đố i v ớ i sóng hài
Trạm biến đổi HVDC tạo ra các dòng hài đặc trưng và không đặc trưng Đối với một bộ chuyển đổi mười hai xung, những sóng hài đặc trưng n = (12 * k) ± 1 (k
Các thành phần sóng hài được hình thành ngay cả trong điều kiện lý tưởng, bao gồm việc làm mịn dòng điện một chiều, điện áp AC đối xứng, trở kháng biến áp và góc kích.
Mạch tương đương để xác định hiệu suất hài được trình bày trong hình 3.7 Tiêu chí phổ biến nhất liên quan đến sóng hài điện áp trên thanh cái trạm biến đổi Mạch lọc được thiết kế nhằm cung cấp trở kháng đủ thấp cho các thành phần liên quan, giúp giảm sóng hài điện áp xuống mức chấp nhận được.
Hình 3.7: Mạch tương đương để tính sóng hài điện áp và dòng điện trong hệ thống
Một tiêu chí thường được sử dụng cho tất cả các thành phần sóng hài lên đến thứ tự thứ 49 như sau:
D n là các hài điện áp riêng lẻ biến dạng của thứ tự n Dn phần trăm của các thanh cái điện áp AC cơ bản (giới hạn điển hình 1%)
Tổng hình học của méo D rms điện áp riêng kẻ Dn thường có giới hạn điển hình là 2% Các sản phẩm CNTT được coi là tiêu chuẩn để hiện sóng hài trên đường dây AC Các tiêu chí này chủ yếu dựa trên sự giao thoa điện thoại trong nhiều trường hợp.
51 không thích hợp, bởi vì hệ thống điện thoại kỹ thuật số hiện đại là không nhạy cảm với sự can thiệp này [8]
3.3.3.3 Yêu c ầu để x ế p h ạ ng tính toán tr ạ ng thái ổn đị nh Điện áp và dòng điện của bộ lọc AC bao gồm các tần số cơ bản và các thành phần hài Độ lớn của chúng phụ thuộc vào hệ thống điện áp AC, dòng điều hòa, điều kiện hoạt động và trở kháng hệ thống AC Các tính toán được thực hiện trong phạm vi toàn bộ hoạt động để xác định những ứng suất dòng điện và điện áp ổn định cao nhất cho mỗi thành phần bộ lọc riêng biệt
Mục tiêu của việc tính toán tạm thời là xác định các quá độ cao nhất cho từng thành phần trong sắp xếp bộ lọc thiết kế Kết quả tính toán cần bao gồm điện áp, dòng điện cho mỗi thành phần, nhiệm vụ năng lượng cho điện trở bộ lọc và bộ hãm, cùng với mức độ cách nhiệt của từng thành phần bộ lọc Để xác định ứng suất cao nhất và chuyển đổi loại tăng, cần nghiên cứu các cấu hình mạch khác nhau và các trường hợp lỗi.
Các lỗi được áp dụng trên đường dẫn bộ chuyển đổi AC bên cạnh các bộ lọc
AC Người ta cho rằng các tụ lọc được tính vào mức điện áp tương ứng cho chuyển đổi mức độ bảo vệ xung của đường dẫn AC
Chuyển mạch sóng là yếu tố quan trọng trong việc tính toán chuyển đổi gia tăng ứng suất Để thực hiện điều này, một sóng tiêu chuẩn với thời gian 250/2500 ms và giá trị đỉnh tương đương với mức độ bảo vệ xung của đường dẫn AC được áp dụng tại trạm chuyển đổi AC.
Các bộ lọc AC được thiết kế để cung cấp năng lượng tối đa tại thời điểm nguồn điện AC đạt đỉnh Điều này ảnh hưởng đến mức độ xâm nhập của các bộ lọc AC vào hệ thống.
• Lỗi phục hồi sau ba pha chạm đất
Để xác định ứng suất năng lượng tối đa cho bộ hãm lọc AC và điện trở, cần điều tra các thông số lỗi pha khác nhau Trong trường hợp xấu nhất, nếu chuyển đổi HVDC bị chặn sau khi xảy ra lỗi, các bộ lọc AC vẫn duy trì kết nối với đường dẫn AC sau khi đã bù trừ lỗi và phục hồi hệ thống điện áp AC Điều này dẫn đến việc xảy ra một quá áp tạm thời với hàm lượng sóng hài cao không đặc trưng tại đường dẫn trạm AC, do ảnh hưởng của từ chối tải, độ bão hòa và biến áp cộng hưởng giữa bộ lọc và mạng lưới AC ở tần số thấp.
Kết luận
Công nghệ HVDC (truyền tải điện cao áp một chiều) là một giải pháp tiên tiến giúp giảm thiểu tổn thất điện năng nhờ vào việc sử dụng công nghệ bán dẫn thyristor Nhờ vào thyristor, việc điều khiển trực tuyến trở nên dễ dàng và nhanh chóng hơn, mang lại hiệu quả cao trong quá trình truyền tải điện.
Công nghệ HVDC mang lại lợi ích về an ninh năng lượng nhờ vào việc sử dụng dòng tải điện một chiều Trong trường hợp xảy ra sự cố giữa hai đầu nối, đầu bên kia vẫn không bị ảnh hưởng, đảm bảo tính ổn định của hệ thống Hơn nữa, phương pháp truyền tải này giúp tiết kiệm đáng kể lượng năng lượng tiêu hao.
Công nghệ HVDC là một hệ thống phức tạp, do đó việc thiết kế, lắp đặt, hiệu chỉnh và vận hành cần được thực hiện bởi các chuyên gia có kiến thức sâu rộng trong lĩnh vực này.
