Khảo sát tình trạng làm việc của hệ thống mạng và nhà máy điện có đường dây DC

Luận văn thạc sĩ khảo sát tình trạng làm việc hệ thống có đường dây DC trong thiết bị mạng và nhà máy điện, phân tích hiệu quả vận hành.

• Tác giả: Phạm Hoàng Anh
• Người hướng dẫn: TS. Hồ Văn Hiến
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện
• Đề tài: Khảo sát tình trạng làm việc của hệ thống có đường dây DC
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ XOAY CHIỀU
• 1.1. Lịch sử phát triển công nghệ truyền tải điện
• 1.2. Các thành tựu mới đạt được của công nghệ truyền tải điện
• 1.3. Các yêu cầu kỹ thuật chính của tryền tải điện siêu cao áp một chiều
• 1.4. Thành phần cơ bản
• 1.5. Trạm chuyển đổi
• 1.6. Các kiểu truyền tải điện cao áp 1 chiều
• 1.7. Nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền tải điện 1 chiều
• 1.8. Ưu nhược điểm của hệ thống truyền tải điện cao áp 1 chiều
• 1.8.1. Lý do kinh tế
• 1.8.2. Lý do kỹ thuật
• 1.9. Một số hệ thống truyền tải điện cao áp 1 chiều trên thế giới
• 1.9.1. HVDC+/-600kV Itaipu (Paraguay) – Sao Paulo (Brazil)
• 1.9.2. HVDC 350kV Leyte – Luzon, Philipines
• 1.9.3. HVDC +/-500kV Rihand – Delhi, Ấn Độ
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG HỆ THỐNG MATLAB TOOLBOX – PSAT
• 2.1. Người sử dụng
• 3. CHƯƠNG 3: TRUYỀN TẢI ĐIỆN MỘT CHIỀU CAO ÁP HVDC
• 3.1. Điều khiển hệ thống HVDC
• 3.1.1. Nguyên lý cơ bản của điều khiển
• 3.1.2. Các phương pháp điều khiển cơ bản
• 3.1.3. Cơ sở để lựa chọn điều khiển
• 3.1.4. Các đặc tính điều khiển
• 3.2. Ngắn mạch trên đường dây DC
• 3.3. Mô hình hệ thống HVDC
• 4. CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT TÌNH TRẠNG LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG CÓ ĐƯỜNG DÂY HVDC
• 4.1. Khảo sát tình trạng làm việc của hệ thống có đường dây HVDC
• 4.1.1. Hệ thống 1 HVDC không lắp đặt thiết bị bù và 1 đường dây truyền tải
• 4.1.2. Hệ thống 1 HVDC lắp đặt thiết bị bù và 1 đường dây truyền tải
• 4.1.3. Hệ thống 1 HVDC không lắp đặt thiết bị bù và 2 đường dây truyền tải
• 4.1.4. Hệ thống 1 HVDC lắp đặt thiết bị bù và 2 đường dây truyền tải
• 4.1.5. Hệ thống 5 nút, 1 HVDC
• 4.1.6. Hệ thống 5 nút, 2 HVDC
• 4.2. Ứng dụng MATLAB-PSAT mô phỏng hệ thống
• 4.2.1. Hệ thống 1 HVDC không lắp đặt thiết bị bù và 1 đường dây truyền tải
• 4.2.2. Hệ thống 1 HVDC lắp đặt thiết bị bù và 1 đường dây truyền tải
• 4.2.3. Hệ thống 1 HVDC không lắp đặt thiết bị bù và 2 đường dây truyền tải
• 4.2.4. Hệ thống 1 HVDC lắp đặt thiết bị bù và 2 đường dây truyền tải
• 4.2.5. Hệ thống 5 nút, 1 HVDC
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN, ĐÁNH GIÁ KHOA HỌC
• 5.1. So sánh về kinh tế của hai đường AC và DC
• 5.2. Các dự kiến trong tương lai
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống truyền tải điện một chiều và xoay chiều

Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về lịch sử phát triển công nghệ truyền tải điện, từ hệ thống dòng điện một chiều của Thomas Edison đến sự phổ biến của truyền tải điện xoay chiều. Khảo sát tình trạng hệ thống mạng và nhà máy điện với đường dây DC được nhấn mạnh như một vấn đề mới tại Việt Nam. Các thành tựu mới trong công nghệ truyền tải điện, bao gồm công nghệ siêu dẫn và xu hướng thu nhỏ quy mô hệ thống điện, cũng được đề cập. Những nỗ lực phát triển trong truyền tải điện siêu cao áp một chiều và xoay chiều được phân tích, với các yêu cầu kỹ thuật chính của truyền tải điện siêu cao áp một chiều được liệt kê chi tiết.

1.1 Lịch sử phát triển công nghệ truyền tải điện

Hệ thống truyền tải điện đầu tiên là dòng điện một chiều, nhưng do hạn chế về điện áp thấp, truyền tải điện xoay chiều dần trở nên phổ biến. Khảo sát tình trạng hệ thống mạng và nhà máy điện với đường dây DC được giới thiệu như một giải pháp mới, đặc biệt khi cần truyền tải công suất lớn đi xa hoặc sử dụng cáp ngầm. Các thử nghiệm đầu tiên về truyền tải điện một chiều được tiến hành tại Thụy Điển và Mỹ, mở đường cho sự phát triển của công nghệ này.

1.2 Các thành tựu mới đạt được của công nghệ truyền tải điện

Công nghệ siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS) đang phát triển nhanh chóng, cho phép dẫn dòng lớn gấp 2-3 lần dây dẫn thường. Khảo sát tình trạng hệ thống mạng và nhà máy điện với đường dây DC được coi là một phần quan trọng trong việc cải thiện hiệu quả truyền tải điện. Xu hướng thu nhỏ quy mô hệ thống điện cũng được đề cập, với việc chia hệ thống lớn thành các hệ thống nhỏ hơn, liên kết bằng đường dây cao áp một chiều (HVDC).

II. Giới thiệu phần mềm mô phỏng hệ thống MATLAB Toolbox PSAT

Chương này giới thiệu về phần mềm MATLAB Toolbox – PSAT, một công cụ quan trọng trong việc mô phỏng và phân tích hệ thống điện. Khảo sát tình trạng hệ thống mạng và nhà máy điện với đường dây DC được thực hiện thông qua việc sử dụng PSAT để mô phỏng các tình huống khác nhau. Phần mềm này cho phép người dùng đánh giá hiệu quả của hệ thống truyền tải điện một chiều và đưa ra các kết luận chính xác.

2.1 Người sử dụng

Phần mềm PSAT được thiết kế cho các kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điện. Khảo sát tình trạng hệ thống mạng và nhà máy điện với đường dây DC được thực hiện thông qua các mô phỏng chi tiết, giúp người dùng hiểu rõ hơn về hiệu suất và các vấn đề tiềm ẩn của hệ thống. PSAT cung cấp các công cụ phân tích mạnh mẽ, giúp tối ưu hóa hệ thống truyền tải điện.

III. Truyền tải điện một chiều cao áp HVDC

Chương này tập trung vào nguyên lý hoạt động và các phương pháp điều khiển hệ thống truyền tải điện một chiều cao áp (HVDC). Khảo sát tình trạng hệ thống mạng và nhà máy điện với đường dây DC được thực hiện thông qua việc phân tích các mô hình hệ thống HVDC. Các đặc tính điều khiển và vấn đề ngắn mạch trên đường dây DC cũng được đề cập chi tiết.

3.1 Điều khiển hệ thống HVDC

Nguyên lý cơ bản của điều khiển hệ thống HVDC được trình bày, bao gồm các phương pháp điều khiển cơ bản và cơ sở để lựa chọn điều khiển. Khảo sát tình trạng hệ thống mạng và nhà máy điện với đường dây DC được thực hiện thông qua việc đánh giá các đặc tính điều khiển của hệ thống. Các phương pháp điều khiển giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định của hệ thống truyền tải điện.

3.2 Mô hình hệ thống HVDC

Mô hình hệ thống HVDC được giới thiệu, bao gồm các thành phần chính và nguyên lý hoạt động. Khảo sát tình trạng hệ thống mạng và nhà máy điện với đường dây DC được thực hiện thông qua việc phân tích các mô hình này. Các mô hình giúp hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động và các vấn đề tiềm ẩn của hệ thống truyền tải điện một chiều.

IV. Khảo sát tình trạng làm việc của hệ thống có đường dây HVDC

Chương này trình bày kết quả khảo sát tình trạng làm việc của hệ thống có đường dây HVDC. Khảo sát tình trạng hệ thống mạng và nhà máy điện với đường dây DC được thực hiện thông qua việc mô phỏng các tình huống khác nhau, bao gồm hệ thống có và không có thiết bị bù. Các kết quả khảo sát giúp đánh giá hiệu quả của hệ thống và đưa ra các khuyến nghị cải thiện.

4.1 Hệ thống 1 HVDC không lắp đặt thiết bị bù

Hệ thống 1 HVDC không lắp đặt thiết bị bù được khảo sát để đánh giá hiệu suất và các vấn đề tiềm ẩn. Khảo sát tình trạng hệ thống mạng và nhà máy điện với đường dây DC cho thấy rằng hệ thống này có thể gặp phải các vấn đề về ổn định điện áp và tổn thất truyền tải. Các kết quả khảo sát giúp đưa ra các giải pháp cải thiện hiệu quả của hệ thống.

4.2 Hệ thống 1 HVDC lắp đặt thiết bị bù

Hệ thống 1 HVDC lắp đặt thiết bị bù được khảo sát để đánh giá hiệu quả của thiết bị bù trong việc cải thiện hiệu suất hệ thống. Khảo sát tình trạng hệ thống mạng và nhà máy điện với đường dây DC cho thấy rằng thiết bị bù giúp giảm tổn thất truyền tải và cải thiện ổn định điện áp. Các kết quả khảo sát giúp đưa ra các khuyến nghị về việc sử dụng thiết bị bù trong hệ thống truyền tải điện.

V. Kết luận đánh giá khoa học

Chương này tổng hợp các kết quả nghiên cứu và đưa ra các kết luận về hiệu quả của hệ thống truyền tải điện một chiều. Khảo sát tình trạng hệ thống mạng và nhà máy điện với đường dây DC được đánh giá dựa trên các kết quả mô phỏng và khảo sát. Các dự kiến trong tương lai về việc phát triển hệ thống truyền tải điện một chiều cũng được đề cập, với mục tiêu nâng cao hiệu quả và độ ổn định của hệ thống điện tại Việt Nam.

5.1 So sánh về kinh tế của hai đường AC và DC

So sánh về kinh tế giữa hệ thống truyền tải điện xoay chiều (AC) và một chiều (DC) được thực hiện. Khảo sát tình trạng hệ thống mạng và nhà máy điện với đường dây DC cho thấy rằng hệ thống DC có chi phí đầu tư ban đầu cao hơn nhưng tổn thất truyền tải thấp hơn, đặc biệt khi truyền tải công suất lớn đi xa. Các kết quả so sánh giúp đưa ra các quyết định đầu tư phù hợp.

5.2 Các dự kiến trong tương lai

Các dự kiến trong tương lai về việc phát triển hệ thống truyền tải điện một chiều được đề cập. Khảo sát tình trạng hệ thống mạng và nhà máy điện với đường dây DC cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ HVDC sẽ giúp cải thiện hiệu quả và độ ổn định của hệ thống điện tại Việt Nam. Các dự án trong tương lai cần tập trung vào việc nâng cao năng lực truyền tải và giảm thiểu tổn thất.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC) là một công nghệ mới và đầy tiềm năng tại Việt Nam, được thế giới quan tâm phát triển mạnh mẽ trong những thập kỷ gần đây. Theo báo cáo ngành, hiện có khoảng 79 công trình truyền tải điện một chiều trên toàn cầu, với công suất truyền tải từ 50 MW đến 6300 MW và điện áp lên đến ±600 kV. Tại Việt Nam, việc khảo sát tình trạng làm việc của hệ thống có đường dây DC nhằm đánh giá hiệu quả vận hành, từ đó đề xuất các giải pháp nâng cấp và phát triển hệ thống truyền tải điện là rất cần thiết. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là khảo sát, đánh giá tình trạng làm việc của hệ thống truyền tải điện HVDC, tập trung vào các cấu hình đường dây và trạm chuyển đổi, đồng thời ứng dụng phần mềm mô phỏng MATLAB-PSAT để phân tích hiệu suất và ổn định hệ thống. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các hệ thống HVDC vận hành trong giai đoạn từ năm 2010 đến 2014, với các mô hình mô phỏng dựa trên dữ liệu thực tế và các hệ thống tham khảo trên thế giới. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy, hiệu quả truyền tải và giảm tổn thất điện năng, góp phần phát triển bền vững hệ thống lưới điện quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC) và mô hình điều khiển hệ thống HVDC. Công nghệ HVDC được phân tích qua các thành phần cơ bản như valve chỉnh lưu thyristor, trạm chuyển đổi AC-DC, các kiểu truyền tải (đơn cực, lưỡng cực, trạm Back-to-Back), cùng với nguyên lý hoạt động và ưu nhược điểm so với truyền tải điện xoay chiều. Lý thuyết điều khiển hệ thống HVDC tập trung vào các phương pháp điều khiển góc kích thyristor, điều khiển dòng điện không đổi (CC), điều khiển góc tắt không đổi (CEA), và các đặc tính điều khiển nhằm đảm bảo vận hành ổn định, tránh dao động dòng điện và quá điện áp. Ngoài ra, các khái niệm chuyên ngành như sóng hài, bộ lọc sóng hài, kháng san phẳng, và các thiết bị bảo vệ như bộ giới hạn dòng sự cố (FCL) cũng được đề cập để làm rõ các vấn đề kỹ thuật trong vận hành hệ thống HVDC.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp khảo sát thực trạng kết hợp mô phỏng hệ thống bằng phần mềm MATLAB-PSAT, một công cụ phân tích hệ thống điện mạnh mẽ với các chức năng như dòng năng lượng (Power Flow), phân tích ổn định tín hiệu nhỏ (SSSA), mô phỏng miền thời gian (TDS) và tối ưu dòng năng lượng (OPF). Dữ liệu nghiên cứu bao gồm các thông số kỹ thuật của hệ thống HVDC, các cấu hình trạm chuyển đổi và đường dây truyền tải, cùng với các số liệu vận hành thực tế từ các hệ thống tham khảo trên thế giới. Cỡ mẫu mô phỏng gồm 6 hệ thống HVDC với các cấu hình khác nhau: hệ thống 1 HVDC không có thiết bị bù, có thiết bị bù, 1 hoặc 2 đường dây truyền tải, và hệ thống 5 nút với 1 hoặc 2 HVDC. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đại diện của các cấu hình phổ biến và mức độ phức tạp của hệ thống. Quá trình phân tích gồm các bước: thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình mô phỏng trong MATLAB-PSAT, chạy các kịch bản vận hành khác nhau, phân tích kết quả về dòng điện, điện áp, tổn thất và ổn định hệ thống. Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, mô phỏng, phân tích và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của thiết bị bù trên hiệu suất hệ thống: Hệ thống HVDC có thiết bị bù cho thấy giảm tổn thất điện năng khoảng 15% so với hệ thống không có thiết bị bù, đồng thời cải thiện ổn định điện áp trên đường dây truyền tải. Ví dụ, trong mô phỏng hệ thống 1 HVDC với 2 đường dây truyền tải, việc lắp đặt thiết bị bù giúp duy trì điện áp một chiều ổn định ở mức ±500 kV, giảm dao động dòng điện xuống dưới 5%.

2. So sánh cấu hình đơn cực và lưỡng cực: Cấu hình lưỡng cực có khả năng tải công suất gấp đôi cấu hình đơn cực (khoảng 3000 MW so với 1500 MW trên một đường dây 500 kV), đồng thời tăng độ tin cậy cung cấp điện. Tuy nhiên, chi phí đầu tư cho cấu hình lưỡng cực cao hơn khoảng 20-30% do yêu cầu thiết bị và đường dây nhiều hơn.

3. Tác động của ngắn mạch trên đường dây DC: Ngắn mạch một cực chạm đất làm dòng điện chỉnh lưu tăng đột ngột lên đến 115% dòng định mức trong vòng 10 ms, nhưng hệ thống điều khiển HVDC nhanh chóng giảm dòng điện về mức an toàn, tránh hư hỏng thiết bị. Điều này cho thấy khả năng bảo vệ và phục hồi của hệ thống HVDC vượt trội so với truyền tải xoay chiều.

4. Hiệu quả mô phỏng bằng MATLAB-PSAT: Phần mềm cho phép mô phỏng chính xác các kịch bản vận hành, hỗ trợ phân tích dòng điện, điện áp, sóng hài và ổn định hệ thống. Kết quả mô phỏng phù hợp với các số liệu thực tế và các nghiên cứu quốc tế, giúp đánh giá toàn diện tình trạng làm việc của hệ thống HVDC.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc cải thiện hiệu suất khi sử dụng thiết bị bù là do khả năng điều chỉnh công suất phản kháng, giảm dao động điện áp và sóng hài, từ đó nâng cao độ ổn định hệ thống. So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này tương đồng với các dự án HVDC tại Brazil và Ấn Độ, nơi thiết bị bù được ứng dụng rộng rãi để tối ưu hóa vận hành. Việc lựa chọn cấu hình lưỡng cực mặc dù chi phí cao hơn nhưng mang lại lợi ích kinh tế dài hạn nhờ giảm tổn thất và tăng công suất truyền tải, phù hợp với các dự án truyền tải công suất lớn và khoảng cách xa. Phân tích ngắn mạch cho thấy hệ thống HVDC có ưu thế vượt trội trong việc cách ly sự cố và phục hồi nhanh, điều này rất quan trọng trong bối cảnh hệ thống điện Việt Nam đang mở rộng và phức tạp hơn. Kết quả mô phỏng bằng MATLAB-PSAT không chỉ giúp đánh giá hiện trạng mà còn là công cụ hỗ trợ thiết kế và vận hành hệ thống HVDC trong tương lai, góp phần nâng cao chất lượng và độ tin cậy của lưới điện quốc gia.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai thiết bị bù công suất phản kháng: Khuyến nghị các nhà quản lý và vận hành hệ thống điện ưu tiên lắp đặt thiết bị bù trong các trạm chuyển đổi HVDC nhằm giảm tổn thất và cải thiện ổn định điện áp. Mục tiêu giảm tổn thất ít nhất 10% trong vòng 2 năm tới.

2. Ưu tiên sử dụng cấu hình lưỡng cực cho các dự án mới: Đối với các tuyến truyền tải công suất lớn và khoảng cách trên 600 km, nên áp dụng cấu hình lưỡng cực để tăng công suất truyền tải và độ tin cậy. Thời gian thực hiện từ 3-5 năm, chủ yếu do chi phí đầu tư và quy hoạch hạ tầng.

3. Nâng cao năng lực điều khiển và bảo vệ hệ thống: Đào tạo kỹ thuật viên vận hành về các phương pháp điều khiển dòng điện không đổi và góc tắt không đổi, đồng thời trang bị hệ thống phát hiện và xử lý ngắn mạch nhanh nhằm giảm thiểu rủi ro sự cố. Kế hoạch đào tạo và nâng cấp trong 1-2 năm.

4. Ứng dụng phần mềm mô phỏng MATLAB-PSAT trong thiết kế và vận hành: Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và vận hành sử dụng MATLAB-PSAT để mô phỏng các kịch bản vận hành, đánh giá hiệu quả và dự báo sự cố, từ đó tối ưu hóa hệ thống. Thời gian áp dụng ngay trong các dự án hiện tại và tương lai.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các kỹ sư và chuyên gia vận hành hệ thống điện: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về công nghệ HVDC, giúp nâng cao hiệu quả vận hành và xử lý sự cố trong hệ thống truyền tải điện.

2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Thông tin về ưu nhược điểm, chi phí và hiệu quả của các cấu hình HVDC hỗ trợ quyết định đầu tư và phát triển hạ tầng truyền tải điện quốc gia.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành điện: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết, mô hình điều khiển và ứng dụng phần mềm mô phỏng trong lĩnh vực truyền tải điện cao áp một chiều.

4. Các công ty tư vấn và thiết kế hệ thống điện: Cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực tiễn để thiết kế các dự án truyền tải điện HVDC phù hợp với điều kiện Việt Nam và xu hướng công nghệ thế giới.

Câu hỏi thường gặp

1. HVDC là gì và tại sao lại được ưu tiên sử dụng?
   HVDC là công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều, ưu điểm là giảm tổn thất, chi phí đầu tư thấp hơn so với truyền tải xoay chiều ở khoảng cách dài trên 600 km, đồng thời có khả năng liên kết các hệ thống điện không đồng bộ.

2. Phần mềm MATLAB-PSAT có vai trò gì trong nghiên cứu?
   MATLAB-PSAT là công cụ mô phỏng hệ thống điện, giúp phân tích dòng năng lượng, ổn định tín hiệu và mô phỏng thời gian thực, từ đó đánh giá hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống HVDC.

3. Thiết bị bù công suất phản kháng có tác dụng gì?
   Thiết bị bù giúp điều chỉnh công suất phản kháng, giảm dao động điện áp và sóng hài, nâng cao độ ổn định và hiệu suất truyền tải điện HVDC.

4. Ngắn mạch trên đường dây DC ảnh hưởng thế nào đến hệ thống?
   Ngắn mạch một cực chạm đất làm tăng dòng điện đột ngột nhưng hệ thống điều khiển HVDC có khả năng giới hạn dòng và phục hồi nhanh, giảm thiểu thiệt hại thiết bị và duy trì ổn định hệ thống.

5. Cấu hình lưỡng cực và đơn cực khác nhau ra sao?
   Cấu hình lưỡng cực sử dụng hai dây dẫn với điện áp trái dấu, tải công suất lớn hơn và độ tin cậy cao hơn, trong khi cấu hình đơn cực chỉ dùng một dây dẫn, chi phí thấp hơn nhưng công suất và độ tin cậy hạn chế.

Kết luận

• Truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC) là giải pháp hiệu quả cho truyền tải công suất lớn và khoảng cách xa, phù hợp với phát triển hệ thống điện Việt Nam.
• Việc lắp đặt thiết bị bù công suất phản kháng giúp giảm tổn thất và cải thiện ổn định điện áp, nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống HVDC.
• Cấu hình lưỡng cực được khuyến nghị cho các dự án truyền tải lớn nhờ khả năng tải công suất cao và độ tin cậy tốt hơn.
• Hệ thống điều khiển HVDC có khả năng xử lý nhanh các sự cố ngắn mạch, đảm bảo an toàn và ổn định cho lưới điện.
• Ứng dụng phần mềm mô phỏng MATLAB-PSAT là công cụ hữu ích trong thiết kế, phân tích và vận hành hệ thống HVDC, góp phần phát triển bền vững lưới điện quốc gia.

Next steps: Triển khai các giải pháp đề xuất trong các dự án thí điểm, mở rộng nghiên cứu ứng dụng công nghệ HVDC tại Việt Nam.

Các nhà quản lý, kỹ sư và nhà nghiên cứu nên phối hợp ứng dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống truyền tải điện quốc gia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ XOAY CHIỀU 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 thểtruyền 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 phổbiến 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 hồquang 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 từMoscow 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 điệnvượt biển. Với lượng công suất đủ lớn, khoảng cách đủ xa, truyền tải cao áp một chiều sẽ 1 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: Quy mô Khả Năm vận hành / năng công trình nâng cấp / đã Điện áp một B-B/ STT Tên Công Trình HVDC tải chiều (kV) line/cable Vị trí công trình dở bỏ (MW) (km) A Đang xây dựng 1 ESTLINK 2006 350 150 106 Estonia-Finland 2 BASSLINK 2005 500 400 360 Australia 3 NORNED 2007 600 500 580 Norway-Netherlands 4 THREE GORGES-SHANGHAI 2007 3000 500 900 China 5 NEPTUNE 2007 600 500 102 U.

B Đang vận hành 1 VANCOUVER 1 1968 312 260 74 Canada 2 VOLGOGRAD-DONBASS 1962 720 400 470 Russia 3 SAKUMA 1965/1993 300 2X125 B-B Japan 4 NEW ZEALAND HYBRID 1965/92 1240 +270/-350 612 New Zealand 5 PACIFIC INTERTIE 1970/84/89/02 3100 500 1361 U. 6 NELSON RIVER 1 1973/93 1854 +463/-500 890 Canada 7 GOTLAND HVDC LIGHT 1999 50 60 70 Sweden 8 DIRECTLINK 2000 3 X 60 80 59 Australia 9 MURRAYLINK 2002 200 ± 150 176 Australia 10 CROSS SOUND 2002 330 150 40 U. 11 TROLL 2004 2 X 40 60 70 Norway 12 EEL RIVER 1972 320 2X80 B-B Canada 13 VANCOUVER 2 1977 370 280 74 Canada 14 DAVID A. 15 SHIN-SHINANO 1 1977 300 125 B-B Japan 16 SQUARE BUTTE 1977 500 250 749 U.

Mocambique-South 17 CAHORA-BASSA 1978 1920 533 1420 Africa 18 C. 19 ACARAY 1981 50 26 B-B Paraguay 2 20 INGA-SHABA 1982 560 500 1700 Zaire 21 EDDY COUNTRY 1983 200 82 B-B U. 22 CHATEAUGUAY 1984 2 X 500 2X 140 B-B Canada 23 BLACKWATER 1985 200 57 B-B U. 25 MADAWASKA 1985 350 140 B-B Canada 26 MILES CITY 1985 200 82 B-B U.

28 BROKEN HILL 1986 40 2x17 (±8,3 3) B-B Australia 29 CROSS CHANNEL BP 1+2 1986 2000 270 71 France-U. 31 ITAIPU 1 1986 3150 600 796 Brazil 32 ITAIPU2 1987 3150 600 796 Brazil 33 URUGUAIANAI 1987 54 18 B-B Brazil-Uruguay 34 VIRGINIA SMITH 1987 200 50 B-B U. 35 FENNO-SKAN 1989 572 400 234 Finland-Sweden 36 MeNEILL 1989 150 42 B-B Canada 37 SILERU-BARSOOR 1989 100 200 196 India 38 VINDHYACHAL 1989 500 2X69.7 B-B India 39 RIHAND-DELHI 1992 1500 500 814 India 40 SHIN-SHINANO 2 1992 300 125 B-B Japan 41 BALTIC CABLE 1994 600 450 255 Sweden-Germany 42 KONTEK 1995 600 400 171 Denmark-Germany 43 WELSH 1995 600 162 B-B U. 44 CHANDRAPUR-RAMAGUNDUM 1997 1000 2X205 B-B India 45 CHANDRAPUR-PADGHE 1998 1500 500 736 India 46 HAENAM-CHEJU 1998 300 180 101 South Korea 47 LEYTE-LUZON 1998 440 350 443 Philippines 48 VIZAG 1 1998 500 205 B-B India 49 MINAMI-FUKUMITZU 1999 300 125 B-B Japan 50 Kll CHANNEL 2000 1400 250 102 Japan 51 SWEPOL LINK 2000 600 450 230 Sweden-Poland 52 GRITA 2001 500 400 313 Greece-Italy 53 HIGASHI-SHIMIZU 2001 300 125 B-B Japan 54 MOYLE INTERCONNECTOR 2001 2 X 250 2X250 64 Scotland-N.Ireland 55 TIAN-GUANG 2001 1800 500 960 China 56 THAILAND-MALAYSIA 2001 600 300 110 Thailand-Malaysia 57 EAST-SOUTH INTERCONNECTOR 2003 2000 500 1400 India 58 RAPIDCITYTIE 2003 2X100 13 B-B U.

59 THREE GORGES CHANGZHOU 2003 3000 500 890 China 60 GUI-GUANG 2004 3000 500 936 China 61 THREE GORGES- GUANGDONG 2004 3000 500 900 China 62 LAMAR 2005 211 63 B-B U. 63 VIZAG 2 2005 500 88 B-B India 64 KONTI-SKAN 1 AND 2 1965/88/2005 740 285 150 Denmark-Sweden 65 SACOI 1967/85/93 300 200 385 Italy-Corsica-Sardinia 3 66 SKAGERRAK 1-3 1976/77/93 1050 250/350 240 Norway-Denmark 67 NELSON RIVER 2 1978/85 2000 500 940 Canada 68 HOKKAIDO-HONSHU 1979/80/93 600 250 167 Japan 69 VYBORG 1981/82/84/02 4 X 355 1 X 170 (85) B-B Russia-Finland 70 GOTLAND ll-lll 1983/87 260 150 98 Sweden 71 QUEBEC-NEW ENGLAND 1986/90/92 2250 500 1500 Canada-U. 72 GESHA 1989/90 1200 500 1046 China 73 GARABI 1&2 2000/02 2000 70 B-B Argentina-Brazil 74 RIVERA 70 B-B Uruguay 75 SASARAM 2002 500 205 B-B India C Đã dở bỏ 1 KINGSNORTH 1972/1987 640 82 England 2 DUERNROHR 1 1983/1997 550 145 B-B Austria-Czech 3 ETZENRIHT 1993/1997 600 160 B-B Germany-Czech 4 VIENNA SOUTH-EAST 1993/1997 600 145 B-B Austria-Hungary * Nguồn: Standard Handbook for Electrical Engineers, Fink, Donal G.- McGraw- Hill Pro. * Chú thích: B-B:trạm Back to Back.

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 superconductingtechnology - 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. 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 thếdây nhôm lõi thép thông thường nhưng công suất truyền tải gấp 2 lần, rất phù hợpcho việc cải tạo hệ thống truyền tải điện trong các thành phố lớn và những nơi hạn chế về hành lang tuyến. 4 *) Xu hướng thu nhỏ quy mô hệ thống điện Ở khu vực Bắc Mỹ, tổng công suất hệ thống liên kết phía Đông là 600.000MW, công suất hệ thống liên kết phía Tây là 130.

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 nghệđiện 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 tảiđiện 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 cựccổng 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 – variablefrequency 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.