Đồ án nghiên cứu hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều HVDC - HPU

Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều HVDC. Phân tích nguyên lý hoạt động, cấu trúc trạm biến đổi và giải pháp kỹ thuật tối ưu.

• Tác giả: Đào Quang Huy
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Đoàn Phong
• Trường học: Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện tự động công nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều HVDC
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hải Phòng

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều HVDC

Hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều HVDC (High Voltage Direct Current) là công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực truyền tải điện năng, sử dụng dòng điện một chiều thay vì xoay chiều truyền thống. HVDC đặc biệt hiệu quả trong truyền tải điện năng trên khoảng cách xa nhờ khả năng giảm tổn thất điện năng và chi phí đầu tư. Hệ thống này bao gồm các trạm biến đổi AC/DC, bộ lọc, tụ điện và đường dây truyền tải. HVDC có ưu điểm vượt trội trong kết nối các lưới điện không đồng bộ, tích hợp nguồn năng lượng tái tạo và truyền tải điện qua các vùng địa lý phức tạp như biển hay núi. Các ứng dụng chính bao gồm truyền tải điện siêu xa, kết nối lưới điện giữa các quốc gia và cung cấp điện cho các khu vực hẻo lánh.

1.1. Cấu trúc cơ bản của hệ thống HVDC

Hệ thống HVDC bao gồm ba thành phần chính: trạm biến đổi AC/DC, đường dây truyền tải DC và trạm biến đổi DC/AC. Trạm biến đổi AC/DC chuyển đổi dòng điện xoay chiều sang một chiều, trong khi trạm biến đổi DC/AC thực hiện quá trình ngược lại. Đường dây truyền tải DC sử dụng dây dẫn đơn cực hoặc lưỡng cực tùy theo yêu cầu kỹ thuật. Hệ thống có thể hoạt động ở chế độ đơn cực, lưỡng cực hoặc đa cực. Mỗi chế độ có ưu nhược điểm riêng, ví dụ chế độ đơn cực đơn giản nhưng gây mất cân bằng dòng điện, trong khi chế độ lưỡng cực cân bằng hơn nhưng chi phí đầu tư cao hơn.

1.2. Lịch sử phát triển và ứng dụng thực tế

Công nghệ HVDC ra đời từ những năm 1950 với hệ thống truyền tải đầu tiên tại Thụy Điển. Từ đó, HVDC phát triển mạnh mẽ nhờ những ưu điểm vượt trội so với truyền tải AC truyền thống. Hiện nay, HVDC được ứng dụng rộng rãi trong nhiều dự án lớn như đường dây truyền tải Baltic (450 kV, 600 MW), kết nối lưới điện giữa Na Uy và Đan Mạch, hay hệ thống truyền tải điện siêu xa tại Trung Quốc. Tại Việt Nam, HVDC được xem xét triển khai trong các dự án truyền tải điện qua biển và kết nối lưới điện giữa các vùng miền.

II. Phân tích các vấn đề kỹ thuật trong hệ thống HVDC

Hệ thống HVDC đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật cần giải quyết để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy. Các vấn đề chính bao gồm tổn thất điện năng trong quá trình truyền tải, ảnh hưởng của nhiễu loạn sóng hài, và sự cố mất cân bằng dòng điện. Ngoài ra, hệ thống còn phải đối phó với hiện tượng ăn mòn điện hóa do dòng điện trở ngược đất gây ra, đặc biệt trong các hệ thống đơn cực. Việc lựa chọn loại dây dẫn, cấu hình hệ thống và phương pháp điều khiển cũng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hoạt động. Các vấn đề về ổn định điện áp, điều khiển công suất phản kháng và quản lý nhiệt độ cũng cần được quan tâm kỹ lưỡng.

2.1. Tổn thất điện năng và hiệu suất truyền tải

Tổn thất điện năng trong hệ thống HVDC chủ yếu xảy ra do điện trở của dây dẫn, tổn thất trong bộ biến đổi và tổn thất do sóng hài. Hiệu suất truyền tải của HVDC thường đạt 95-98% trên khoảng cách xa, cao hơn nhiều so với truyền tải AC truyền thống (khoảng 90-95%). Tổn thất trong bộ biến đổi có thể giảm nhờ sử dụng công nghệ biến đổi đa cấp (VSC) thay vì biến đổi hai cấp truyền thống. Sóng hài gây ra bởi bộ biến đổi cần được kiểm soát bằng các bộ lọc chuyên dụng để tránh ảnh hưởng đến chất lượng điện năng.

2.2. Ảnh hưởng của dòng điện trở ngược đất

Dòng điện trở ngược đất trong hệ thống HVDC đơn cực gây ra nhiều vấn đề kỹ thuật như ăn mòn điện hóa các vật kim loại, thay đổi hóa học của môi trường xung quanh điện cực, và ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử nhạy cảm. Điện cực trở đất dưới nước biển có thể tạo ra khí clo gây hại cho môi trường sinh thái. Ngoài ra, dòng điện trở ngược đất còn tạo ra từ trường cục bộ gây nhiễu loạn cho các thiết bị định hướng như la bàn. Các giải pháp khắc phục bao gồm sử dụng điện cực composite, cải thiện thiết kế điện cực, và hạn chế sử dụng chế độ đơn cực.

III. Giải pháp kỹ thuật tối ưu cho hệ thống HVDC

Để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống HVDC, nhiều giải pháp kỹ thuật tiên tiến đã được phát triển. Sử dụng công nghệ biến đổi điện áp nguồn (VSC) thay cho biến đổi hai cấp truyền thống giúp giảm tổn thất, tăng cường kiểm soát công suất phản kháng và giảm sóng hài. Hệ thống điều khiển tiên tiến với các vòng lặp điều khiển bên trong và bên ngoài đảm bảo phản ứng nhanh chóng với các biến động tải. Việc ứng dụng các vật liệu cách điện mới và thiết kế dây dẫn tối ưu cũng góp phần giảm tổn thất. Ngoài ra, tích hợp các hệ thống giám sát trực tuyến giúp phát hiện sớm các sự cố tiềm ẩn, nâng cao độ tin cậy của hệ thống.

3.1. Công nghệ biến đổi điện áp nguồn VSC

Công nghệ VSC (Voltage Source Converter) sử dụng các linh kiện bán dẫn công suất như IGBT để điều khiển dòng điện một cách linh hoạt. VSC có thể điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng, giúp cải thiện chất lượng điện năng và ổn định hệ thống. So với biến đổi hai cấp truyền thống, VSC có khả năng điều khiển nhanh hơn, giảm sóng hài đáng kể và hoạt động hiệu quả ở mức tải thấp. VSC cũng cho phép tích hợp dễ dàng với các nguồn năng lượng tái tạo như điện gió và điện mặt trời.

3.2. Hệ thống điều khiển và giám sát tiên tiến

Hệ thống điều khiển HVDC hiện đại sử dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến như điều khiển dự báo (Model Predictive Control) và điều khiển thích ứng (Adaptive Control) để tối ưu hóa hiệu suất. Các hệ thống giám sát trực tuyến tích hợp cảm biến IoT và trí tuệ nhân tạo giúp phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường, từ đó đưa ra cảnh báo và đề xuất biện pháp khắc phục kịp thời. Hệ thống điều khiển phân cấp với các vòng lặp điều khiển bên trong và bên ngoài đảm bảo phản ứng nhanh chóng với các biến động tải và sự cố trên lưới điện.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của hệ thống HVDC

Hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều HVDC là giải pháp hiệu quả cho các thách thức trong truyền tải điện năng hiện đại. Với khả năng truyền tải điện năng trên khoảng cách xa với tổn thất thấp, tích hợp nguồn năng lượng tái tạo và kết nối lưới điện không đồng bộ, HVDC đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện toàn cầu. Các nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn đã chứng minh hiệu quả vượt trội của HVDC so với truyền tải AC truyền thống. Tại Việt Nam, triển khai HVDC sẽ góp phần nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo và kết nối lưới điện giữa các vùng miền, đặc biệt là truyền tải điện qua biển và vùng núi cao.

4.1. Hiệu quả kinh tế và môi trường

HVDC mang lại hiệu quả kinh tế vượt trội nhờ giảm tổn thất điện năng, chi phí đầu tư thấp hơn cho các đường dây trên không dài và khả năng tích hợp với các nguồn năng lượng tái tạo. So với truyền tải AC, HVDC có chi phí đầu tư ban đầu cao hơn nhưng bù đắp bằng hiệu suất truyền tải cao hơn và chi phí vận hành thấp hơn. Về môi trường, HVDC giúp giảm phát thải khí nhà kính nhờ khả năng tích hợp nguồn năng lượng sạch và giảm tổn thất điện năng. Việc sử dụng HVDC cũng hạn chế sự cố mất điện diện rộng, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

4.2. Triển vọng phát triển tại Việt Nam

Tại Việt Nam, HVDC có tiềm năng phát triển mạnh mẽ nhờ nhu cầu truyền tải điện ngày càng tăng và mục tiêu phát triển năng lượng tái tạo. Các dự án triển khai HVDC có thể bao gồm kết nối lưới điện giữa các vùng miền, truyền tải điện qua biển, và tích hợp các dự án điện gió ngoài khơi. Việc nghiên cứu và ứng dụng HVDC sẽ góp phần hiện đại hóa hệ thống điện quốc gia, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và hỗ trợ chuyển đổi năng lượng xanh. Tuy nhiên, cần có các chính sách hỗ trợ và đầu tư vào nghiên cứu, đào tạo nhân lực để phát triển công nghệ HVDC tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG HVDC 1.1 Nghiên cứu tổng quan về hệ thống 1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của hệ thống HVDC có lịch sử phát triển lâu dài khi Thomas Edison (1847-1931) phát minh ra dòng điện một chiều, hệ thống truyền tải điện đầu tiên được gọi là hệ thống dòng điện một chiều. Ở điện áp thấp, công suất truyền tải điện một chiều không thể đi quá xa. Vào đầu thế kỷ XX, với sự phát triển không ngừng của công nghệ máy biến áp cùng với động cơ cảm ứng, truyền tải điện xoay chiều ngày càng phổ biến và trở thành lựa chọn số 1 của các quốc gia. Năm 1929, đội ngũ kỹ sư của Công ty ASEA của Thụy Điển đã nghiên cứu và phát triển hệ thống Valve hồ quang thủy ngân điều khiển mạng lưới đa điện cực để sử dụng trong truyền tải điện một chiều có công suất và điện áp cao.

Những thí nghiệm đầu tiên được tiến hành tại Mỹ và Thụy Điển năm 1930 với mục đích kiểm tra hoạt động của Valve hồ quang thủy ngân trong quá trình chuyển đổi chiều truyền tải cũng như thay đổi tần số. Sau chiến tranh thế giới thứ 2, nhu cầu điện năng trên toàn cầu tăng cao đã kích thích sự nghiên cứu truyền tải điện một chiều, khi truyền tải công suất đi xa hoặc nếu bắt buộc phải sử dụng đường cáp ngầm. Năm 1950, đường dây truyền tải một chiều bắt đầu tiến hành thử nghiệm điện áp 200 Kv với chiều dài 116 km đưa vào vận hành để tải điện từ Moscow đi Kasira. Đường dây HVDC đầu tiên được đưa vào vận hành thương mại vào năm 1954 trên Thụy Điển với công suất 20 MW, chiều dài 98 km, điện áp 100 kV sử dụng cáp ngầm vượt biển kết nối giữa đất liền và đảo Gotland.

Đến năm 1960, hệ thống Valve thể rắn đã trở thành hiện thực khi được Thyristor ứng đưa vào truyền tải điện một chiều. Năm 1972, Valves thể rắn đã được ứng dụng lần đầu tiên tại trạm Back to Back Eel River công suất 320 MW ở Canada với điện áp 80 kV. Ngày nay, công nghệ truyền tải HVDC là một phần không thể thiếu đối với hệ thống điện của nhiều quốc gia trên thế giới. Truyền tải HDVC luôn luôn 1 được xem xét trong trường hợp phải tải lượng công suất lớn đi khoảng cách xa, kết nối giữa những hệ thống điện không đồng bộ hoặc xây dựng đường cáp điện vượt biển.

Khi công suất đủ lớn và khoảng cách đủ xa, HVDC sẽ chiếm ưu thế lớn về chi phí đầu tư và tổn thất truyền tải điện năng so với dòng điện xoay chiều 3 pha truyền thống. Dựa vào thống kê của các nhóm nghiên cứu, hiện nay có khoảng 239 dự án HVDC đã và đang trong quá trình triển khai xây dựng trong đó có 173 hệ thống tải điện HVDC 56 trạm Back to Back. Điện áp một chiều cao nhất thuộc về dự án Xinjiang - Anhui tại Trung Quốc lên tới 1.100 kV, công suất tải 12 GW chiều dài truyền tải 3. Trong khi ở châu Âu đưa cấp điện áp một chiều lớn nhất là 525 kV trở thành tiêu chuẩn thì một số khu vực khác có xu hướng sử dụng điện áp cao hơn chẳng hạn như: châu Á 800-1.100 kV, Bắc Mỹ 600 kV, Nam Mỹ 600 kV.

Vấn đề về kỹ thuật và kinh tế được cho là lý do chính dẫn đến việc lựa chọn hệ thống HVDC để thay thế cho việc sử dụng hệ thống xoay chiều (AC). Về lý do kỹ thuật: Hệ thống HVDC có thể sử dụng để trao đổi công suất giữa các hệ thống điện khác nhau về tần số, điều độ vận hành, nó cũng có thể liên kết giữa hệ thống điện mạnh và hệ thống điện yếu hơn nhiều mà không làm ảnh hưởng đến nhau. Đường dây HVDC không có công suất phản kháng, chỉ truyền tải công suất tác dụng, do đó không gặp các vấn đề về quá tải điện áp trên đường dây dài đối với hệ thống AC. Những đường cáp biển có chiều dài trên 50 km mà truyền tải bằng đường cáp AC sẽ gặp rào cản lớn về mức ổn định điện áp, tính khả thi cũng không cao.

Trong khi đó cáp HVDC có thể truyền tải điện năng hàng trăm km. Hệ thống HVDC có khả năng tăng độ ổn định hệ thống điện và cách ly sự cố rã lưới. Sự cố rã lưới năm 2003 ở Bắc Mỹ là ví dụ điển hình, nó đã dẫn đến hậu quả rất nghiêm trọng, gây mất điện trên phạm vi rộng và chỉ dừng lại khi gặp đường dây DC liên kết với Canada. Nhiều hệ thống HVDC có thể 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 hệ thống điện nhỏ, tăng tính ổn định cho hệ thống điện.

2 Về lý do kinh tế: các nghiên cứu cho thấy rằng, suất đầu tư cho đường dây truyền tải DC thấp hơn AC vì thiết kế cột của đường dây DC gọn nhẹ hơn là đường dây AC. Khi tính toán kinh tế đối với các dự án truyền tải trên toàn cầu, suất đầu tư cho đường dây điện DC chỉ bằng 0,8 lần đường dây điện AC cùng mức điện áp, số mạch. Do thiết kế cột gọn nhẹ và đơn giản hơn, số mạch cũng ít hơn và ảnh hưởng của điện trường tĩnh đối với sức khỏe con người tương tự như từ trường của trái đất và không cần phải tính toán kỹ lưỡng như đường dây AC, do đó nên hành lang tuyến của đường dây DC nhỏ gọn hơn AC, tổn thất công suất trên đường dây truyền tải của hệ thống DC thấp hơn AC cùng điện áp, chi phí cho giải phóng mặt bằng cũng như đền bù sẽ thấp hơn. Dựa trên tính toán lý thuyết, tổn thất công suất trên đường dây DC chỉ bằng 80% đường dây AC khi truyền tải cùng công suất và khoảng cách.

Điều này là lý do dẫn đến chi phí tổn thất điện năng của hệ thống HVDC thấp hơn so với hệ thống HVAC. Chi phí xây dựng cho trạm chuyển đổi DC-AC và AC-DC cao hơn rất nhiều so với chi phí đầu tư cho trạm biến áp AC, chi phí đó cần được bù đắp bởi chi phí giảm được tổn thất điện năng và của đường dây DC. Khoảng cách càng dài thì truyền tải DC càng có lợi, từ đó hình thành một điểm cân bằng, ở đó 2 hệ thống AC và DC có chi phí tương đương. Điểm cân bằng đó thường được tính toán theo chiều dài và có khoảng cách khoảng lên tới vài trăm km.

Đối với hệ thống HVDC dùng cáp vượt biển thì khoảng cách điểm cân bằng ngắn hơn nhiều với đường dây trên không.2 Tiềm năng của hệ thống HVDC Hiện nay miền Bắc và miền Nam là 2 trung tâm phụ tải quan trọng trong hệ thống điều độ điện quốc gia với công suất đỉnh trong năm 2020 đạt khoảng 18,3 GW và 17,8GW. Trong tương lai 2 vùng này dư báo sẽ tiếp tục tăng trưởng và vẫn là 2 trọng tâm phụ tải của cả nước. Các vùng còn lại thuộc miền Trung có phụ tải khá thấp, chiếm khoảng 18% vào năm 2020 và khoảng 16% vào năm 2045. Tuy nhiên, nơi đây lại là những khu vực có tiền năng phát triển các nguồn năng lượng tái tạo cao như điện gió trên bờ, điện mặt trời và điện gió ngoài khơi.

3 Theo các báo cáo về sử dụng năng lượng Việt Nam năm 2019 cho thấy rằng các nguồn nhiệt điện than đang có xu hướng phát triển chậm lại, thay vào đó là xu hướng gia tăng các nguồn điện thân thiện với môi trường như điện gió, điện mặt trời và tuabin khí. Cho đến thời điểm này, đã và đang có rất nhiều nhà đầu tư đăng ký và tìm kiếm cơ hội đầu tư vào các lĩnh vực phát triển nguồn điện tại Việt Nam. Theo thống kê hiện nay thì khối lượng đăng kí nguồn xây mới giai đoạn 2020-2030 đã lên đến 133GW, trong đó điện gió chiếm 34GW, điện mặt trời chiếm 30GW và khí hóa lỏng chiếm 40GW. Vì quy mô đăng kí nguồn điện tại một số tiểu vùng khá lớn với nhiều loại nguồn điện khác nhau, nên sẽ dẫn đến xuất hiện đa dạng tổ hợp phát triển nguồn điện.

Do năng lực truyền tải điện liên miền còn gặp nhiều hạn chế dẫn đến độ dự phong và độ an toàn trong truyền tải điện còn thấp mà khi xảy ra sự cố trên đường dây 500KV liên miền sẽ dễ gây ra hiện tượng sụp đổ điện áp và tan rã lưới cục bộ, ảnh hưởng nghiêm trọng đến toàn bộ hệ thống điện, phụ tải điện và sự phát triển kinh tế - xã hội. Chương trình phát triển nguồn điện của Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia thời kì 2021-2030 có xét đến 2045 vẫn đang trong quá trình xây dựng. Với giả thiết đầu vào tính toán bối cảnh Việt Nam, khoảng cách càng xa trên 400km, chi phí đầu tư cho hệ thống HVDC càng thấp, có thể thấp hơn đến 32-38% chi phí HVAC (điện cao áp xoay chiều) ở khoảng cách 2000 km. Ngoài ra Việt Nam có đường bờ biển dài và nhu cầu truyền tải công suất liên miền lớn nên Việt Nam hội tụ đủ các yếu tố để xây dựng hệ thống HVDC.

Theo quy hoạch điện VII, đến năm 2030 thì Việt Nam sẽ nhập khẩu điện từ các nước trong khu vực như Lào, Campuchia, Trung Quốc. Vào tháng 12/2016, chính phủ 2 nước Lào và Việt Nam đã kí kết biên bản ghi nhớ, Việt Nam sẽ nhập khẩu khoảng 5000MW đến giai đoạn 2026-2030. Việc hình thành lưới truyền tải liên kết giữa 2 quốc gia Lào –Việt Nam là một trong những thành công quan trọng của chiến lược liên kết lưới điện ASEAN nói chúng và các tiểu vùng sông Mekong nói riêng. Bên cạnh đó, Lào có độ dự trữ nguồn điện rất cao khoảng 60% và trữ lượng thủy điện dồi dào đem lại khả năng xuất khẩu điện lên đến 6GW.

Việc hình thành 4 liên kết giữa 2 quốc gia sẽ góp phần đảm bảo an ninh năng lượng cho hệ thống điện Việt Nam đặc biệt là một số khu vực miền Trung và miền Nam đang có nguy cơ chậm tiến độ. Vì vậy vấn đề truyền tải lượng công suất nhập khẩu từ Lào đến các khu vực thiếu hụt điện năng là rất cấp thiết. Về việc tổn thất truyền tải, nếu cùng số mạch thì hệ thống HVDC sẽ tổn thất thấp hơn. Tuy nhiên, khi nhìn nhận dưới góc độ tổng công suất và khoảng cách truyền tải, nếu khai thác hiệu quả đường dây AC bằng cách thêm hệ thống bù dọc và bù ngang hợp lý thì tổn thất truyền tải của 2 hệ thống HVDC và HVAC là tương đương nhau.