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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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.