BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM NGUYỄN ĐÌNH SƠN KHẢO SÁT PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TRONG
HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ ĐƯỜNG DÂY HVDC
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
NGUYỄN ĐÌNH SƠN Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM ngày
18 tháng 01 năm 2014.
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: TT Họ và tên Chức danh Hội đồng
1 TS. Nguyễn Hùng Chủ tịch
2 TS. Võ Ngọc Điều Phản biện 1
3 TS. Trương Việt Anh Phản biện 2
4 PGS.TS. Lê Kim Hùng Ủy viên
5 TS. Huỳnh Quang Minh Ủy viên, thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày … tháng … năm 20…
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Đình Sơn Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 15-01-1983 Nơi sinh: Tp. Đà Nẵng
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1241830028
Nguyễn Đ
ình Sơn
ii
LỜI CÁM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến TS. Hồ Văn Hiến đã hướng dẫn, chỉ dạy
và giúp đỡ em tận tình trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo của Khoa Cơ – Điện – Điện Tử đã
cung cấp kiến thức, phòng Quản lý khoa học và Đào tạo sau ĐH trường Đại Học Công
Nghệ Tp. HCM đã tạo mọi điều kiện trong su
ốt quá trình học tập tại trường, góp ý
nhiều ý kiến quý báu để em hoàn thành tốt luận văn.
Em xin cảm ơn, gia đình, cơ quan, bạn bè và đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện,
quan tâm và giúp đỡ em hoàn thành luận văn này.
Mặc dù trong thời gian qua đã cố gắng nỗ lực nghiên cứu nhưng kiến thức còn
nhiều hạn chế nên không thể tránh được những thiếu sót. Kính mong các thầy cô trong
hội đồ
ng khoa học xem xét góp ý, chỉnh sửa để luận văn được hoàn thiện tốt hơn và
trong những nghiên cứu sau này.
Em xin chân thành cảm ơn!
TP. HCM, ngày 30 tháng 12 năm 2013
Nguyễn Đình Sơn
hơn, cho đến những năm gần đây với hàng loạt các dự án trên khắp các châu lục về
truyển tải không đồng bộ trên các vùng miền cũng như mua bán điện giữa các quốc
gia khu vực.
Tại Việt Nam trong những năm gần đây, truyền tải HVDC đượ
c các nhà
nghiên cứu trong nước chỉ quan tâm ở khía cạnh công nghệ mới, bài toán kinh tế, lý
thuyết điều khiển, ý tưởng kết nối… nhưng chưa quan tâm nghiên cứu giải quyết
vấn đề phân bố lại công suất trong hệ thống truyền tải khi có hệ thống HVDC kết
nối vào. Trong thực tế, việc ổn định hệ thống sẽ đáp ứng nhanh hơn, linh hoạt hơn,
hiệu quả
hơn khi việc trao đổi số liệu giữa hại hệ thống được giải quyết thực thi.
Trong luận văn này trình bày nghiên cứu về việc Khảo sát phân bố công suất trong
hệ thống điện khi có đường dây HVDC.
iv
ABSTRACT
Recently, transmission system of the High Voltage Direct Current (HVDC) has
been become one of the indispensable components in transmission systems of many
countries around the world. With the advantage of reducing power losses on HVDC
transmission lines compared to AC transmission lines at the same voltage level, this
leads to power losses cost of the HVDC system will be lower.For high voltage alternating current (HVAC) transmission, researchers alway
find out to get overcome some limitations problem which it hides. In the power
transmission, if they wants to transmit power far away, have to boost voltage higher
that also means raised many complex issues in an electromagnetic field, stable
conditions, variable voltage, frequency deviation, losses and rising costs. The
transmission power through-other complicated topography condition: from
mainlands to island, craggy terrain with HVAC transmission can not be optimized
2. Nội dung nghiên cứu của đề tài 5
3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài 5
4. Điểm mới của đề tài 5
5. Giá trị thực tiễn của đề tài 6
6. Kết cấu của đề tài 6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI ĐIỆN HVDC 7
1.1 Lịch sử phát triển công nghệ truyền tải đi
ện một chiều 7
1.2 Thành tựu mới đạt được của công nghệ truyền tải điện 11
1.3 Cấu hình hệ thống HVDC 12
1.3.1 Kết nối đơn cực 12
1.3.2 Kết nối lưỡng cực 13
1.3.3 Kết nối đồng cực 16
1.4 Các phần tử chính trong hệ thống HVDC 17
1.4.1 Bộ biến đổi 17
1.4.2 Cu
ộn kháng nắn dòng 22
1.4.3 Bộ lọc họa tần 22
1.4.4 Nguồn cung cấp công suất phản kháng 24
1.4.5 Điện cực 24
vi
1.4.6 Đường dây một chiều 24
1.4.7 Máy cắt điện AC 24
1.4.8 Hệ thống làm mát van 25
CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG HVDC 26
2.1 Phân tích hoạt động bộ biến đổi 26
2.1.1 Mạch cầu 3 pha toàn sóng 26
2.1.2 Hoạt động của bộ biến đổi khi bỏ qua ảnh hưởng của cảm kháng nguồn 27
2.1.3 Mối quan hệ giữa dòng điệ
3.3.1 Chi phí đầu tư của hệ thống HVDC 68
3.3.2 Phân tích chi tiết với chi phí đầu tư cho hệ thống HVDC 69
3.3.3 Chi phí vận hành của hệ thống HVDC 74
3.3.4 Kết luận 77
3.4 Hiệu quả về mặt kỹ
thuật của truyền tải DC 79
3.4.1 Hệ thống HVDC không bị giới hạn công suất hay khoảng cách truyền tải do
điều kiện ổn định 79
3.4.2 Hiệu quả truyền tải của đường dây DC cao hơn đường dây AC 80
3.4.3 Hệ thống HVDC điều khiển hoàn toàn lượng công suất truyền tải 80
3.4.4 Dùng HVDC làm đường dây liên lạc hệ thống 81
3.4.5 Đường dây DC không bị ảnh hưởng bởi t
ần số của hệ thống 81
3.4.6 Khả năng hòa mạng lên lưới rất nhanh 81
3.4.7 Độ tin cậy của truyền tải điện HVDC rất cao 81
3.4.8 Có khả năng mở rộng và phát triển thuận tiện 82
3.4.9 Việc nghiên cứu và áp dụng hệ thống HVDC nhiều trạm dừng sẽ đem lại bước
đột phá trong hệ thống điện 82
CHƯƠNG 4: PHÂN BỐ CÔNG SU
ẤT TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI 83
4.1 Phân bố công suất trong hệ thống HVAC 83
4.1.1 Các phương trình mạng cơ bản 83
4.1.2 Phương pháp phân bố công suất Newton – Raphson 85
4.2 Phân bố công suất khi có HVDC 89
4.3 Bài toán giao tiếp AC/DC khi chưa có bù hai đầu HVDC 91
4.3.1 Kết quả tính toán ban đầu 92
4.3.2 Kết quả tính toán ban đầu chạy trên chương trình Matlab 94
4.3.3 Tính toán bài toán giao tiếp AC/DC 94
viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
HVAC High Voltage Alter Current
HVDC High Voltage Derection Current
CC Constant Current / Dòng Hằng Số
CEA Constant Extinction Angle
CIA Constant Ignition Angle
SVC Static Var Compensator
SCR Silicon Controller Reator
IGBT Isulated Gate Bipolar Transistor
GTO Gate Turn Off
MBA Máy Biến Áp
x
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Danh sách liệt kê các công trình đường dây truyền tải HVDC được xây
dựng, vận hành và dự kiến vận hành trên thế giới từ 2010 đến nay 8
Bảng 3.1 Yêu cầu số mạch truyền tải đối với lượng công suất 8GW và 12GW 61
Bảng 3.2 Ảnh hưởng của điện áp AC lên chi phí trạm HVDC 73
Bảng 3.3 Chi phí các thành phần hệ thống HVDC 74
Bảng 3.4 Ước lượng tổn thất công suất khác nhau của từng quốc gia 77
Bả
ng 4.1 Số liệu ban đầu mô hình giao tiếp giữa 2 hệ thống HVDC và HVAC 92
Bảng 4.2 Kết quả tính toán ban đầu chạy trên chương trình MatLab 94
Bảng 4.3 Kết quả đạt được sau 10 lần lặp 100
Bảng 4.4 Số liệu ban đầu mô hình giao tiếp giữa 2 hệ thống HVAC và HVDC khi
Hình 2.2 Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch cầu hình 2.1 27
Hình 2.3 Dạng sóng điện áp và dòng điện qua các van với góc kích trễ α 29
Hình 2.4 Sự thay đổi góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện theo góc kích trễ α 31
Hình 2.5 Dạng sóng dòng đ
iện 32
Hình 2.6 Ảnh hưởng của góc chồng chập trong chu kỳ dẫn của van 33
Hình 2.7 Thời gian (góc) dẫn của van với góc kích trễ 33
Hình 2.8 Mạch tương đương trong thời gian chuyển mạch 34
Hình 2.9 Dòng điện van trong chuyển mạch liên quan đến điện áp chuyển mạch 35
Hình 2.10 Dạng sóng điện áp ảnh hưởng của sự chồng chập mạch từ van 1 đến 3 36
Hình 2.11 Mạch tương đương củ
a mạch cầu chỉnh lưu 38
Hình 2.12a Ảnh hưởng của chồng chập làm suy giảm
t
từ 90° xuống 90°- μ/2 38
Hình 2.12b Dạng sóng điện áp và chu kỳ dẫn của van ở chế độ làm việc của bộ
nghịch lưu 39
Hình 2.13 Các góc ở chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu 41
Hình 2.14 Sơ đồ mạch tương đương của bộ biến đổi 41
Hình 2.15 Bộ biến đổi cầu 12 xung 45
Hình 2.16 Dạng sóng điện áp DC và dòng điện AC cầ
u 6 xung và 12 xung 46
xii
Hình 2.17 Tỷ số máy biến áp 1:T 47
Hình 2.18 Sơ đồ và mạch tương đương của hệ thống HVDC đơn giản 49
Hình 2.19 Giao tiếp giữa hệ thống AC - DC 50
Hình 2.20 Các chế độ vận hành ở trạng thái xác lập ổn định 51
Hình 2.21 Đường đặc tính của chế độ vận hành 1 51
LỜI MỞ ĐẦU
Điện năng được xem là nguồn năng lượng đặc biệt từ khâu sản xuất đến
truyền tải, phân phối và sử dụng phải thông qua hệ thống đường dây truyền tải.
Ngày nay, điện năng là một yếu tố quan trọng không thể tách rời trong đời sống
sinh hoạt và sản xuất. Do nhu cầu tiêu thụ công suất ngày càng cao, nó đòi hỏi phải
đảm bảo được tính an toàn, linh hoạt, độ
tin cậy, tối ưu, chất lượng điện năng trong
truyền tải và phân phối.
Do đặc tính sản xuất ra nguồn năng lượng này có sự đa dạng và khác nhau
như: thuỷ điện, nhiệt điện, điện hạt nhân và các nguồn năng lượng tái tạo khác
(năng lượng gió, mặt trời, địa nhiệt, sóng, thuỷ triều…) vì vậy các nhà máy này
được xây dựng tại những vị trí
địa lý thuận lợi gần nguồn năng lượng khác nhau
cách xa trung tâm đô thị thành phố, khu công nghiệp. Để truyền tải điện năng từ nhà
máy điện đến các trạm, các hộ tiêu thụ điện có thể chỉ vài chục km đến cả ngàn km
(giữa các vùng khu vực, quốc gia, thậm chí cả châu lục) qua những địa hình khác
nhau. Chính vì lẽ đó, việc truyền tải điện đi càng xa điệ
n áp càng cao thì phát sinh
ra nhiều vấn đề liên quan: sự cố đường dây, tổn thất điện áp, mất cân đối phân bố
công suất, ổn định hệ thống, điều khiển, kiểm soát, bảo trì và chi phí xây dựng hệ
thống đều tăng cao, có thể nói đây chính là những rào cản hiện hữu.
So sánh cơ bản về truyền tải cao áp xoay chiều (HVAC) và truyền tải cao áp
một chiều (HVDC), người ta nhận thấy rằ
ng truyền tải HVDC có nhiều ưu điểm
hơn về nhiều mặt kinh tế và kỹ thuật cho việc truyền tải đi xa đối với các hệ thống
điện đồng bộ, không đồng bộ (kết nối điểm đến điểm) hoặc kết nối trạm phân phối
không đồng bộ (kết nối kề lưng) thông qua việc biến đổi đi
ện áp AC/DC và biến đổi
ngược lại DC/AC. Khi linh kiện bán dẫn công suất cao ra đời thay thế cho hệ thống
Hệ thống truyền tải điện đóng vai trò rất quan trọng trong việc kết nối giữa
nguồn và phụ tải tiêu thụ. Thông thường các nhà máy phát điện thường được xây
dựng ở những nơi có điều kiện cung cấp nguồn năng lượng, trong khi đó các phụ tải
lại tập trung ở những nơi cách xa các nhà máy phát điện. Vì vậy khoả
ng cách truyền
tải từ nhà máy phát điện đến tải tiêu thụ là rất xa. Bên cạnh đó, truyền tải điện qua
những khu vực, biển đảo, vùng địa lý địa hình khó khăn mà truyền tải cao áp xoay
chiều (HVAC) khó đạt hiệu quả về kinh tế và kỹ thuật. Vì vậy phải nghiên cứu và
đưa ra các giải pháp truyền tải tối ưu nhất để đạt hiệu quả về mặt kinh tế
và kỹ
thuật. Trong đó truyền tải cao áp một chiều (HVDC) đã được nghiên cứu và áp
dụng từ nhiều năm trước trên thế giới vì truyền tải HVDC có nhiều ưu điểm so với
truyền tải AC.
Ngày nay công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều là một thành phần không
thể thiếu trong hệ thống truyền tải điện của nhiều quốc gia trên thế giớ
i. Truyền tải
điện cao áp một chiều có nhiều thuận lợi hơn truyền tải điện xoay chiều trong một
số trường hợp đặc biệt:
- Sử dụng hệ thống truyền tải cao áp một chiều sẽ giúp cho việc trao đổi điện
năng giữa các hệ thống điện không đồng bộ dễ dàng.
- Hệ thống HVDC có khả năng đi
ều khiển nhanh chóng công suất truyền tải và
đảm bảo ổn định tĩnh của hệ thống tốt.
- Tải công suất nhiều hơn trên mỗi dây dẫn và vận hành độc lập, ít choáng
hành lang, tiết kiệm đáng kể về cách điện.
- Chi phí đầu tư cho trạm chuyển đổi AC-DC và DC-AC cao hơn rất nhiều so
với chi phí xây dựng trạm biến áp xoay chiều, chi phí này được bù đắp bởi chi phí
giảm được c
ủa đường dây 1 chiều và tổn thất điện năng.
- Hành lang tuyến của đường dây HVDC nhỏ hơn HVAC: Do thiết kế cột gọn
hoạt động của các máy điện xoay chiều, gây nhiễu sóng thông tin liên lạc.
Với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, khoa học máy tính, các b
ộ biến đổi bán
dẫn công suất lớn như thyristror, IGBT…Van thyristor trở thành phần tử chính của
các trạm biến đổi. Các thiết bị biến đổi ngày nay có kích thước trở nên gọn và giá
thành giảm. vì vậy truyền tải điện HVDC trở nên hấp dẫn hơn.
5
Sự kết hợp giữa 2 hệ thống HVDC và HVAC là một vấn đề mới trong hệ
thống truyền tải mà chúng ta phải giải quyết. Giải quyết được vấn đề giao tiếp giữa
2 hệ thống, bài toán phân bố công suất trong hệ thống truyền tải khi kết hợp giữa
HVDC và HVAC thì sẽ nâng cao khả năng điều khiển linh hoạt, tin cậy trong mọi
điều kiện vận hành củ
a hệ thống truyền tải điện.
2. Nội dung nghiên cứu của đề tài
Giới thiệu một cách tổng quan về công nghệ truyền tải HVDC và mô hình hóa
hệ thống truyền tải HVDC.
Phân tích các đặc điểm kinh tế và kỹ thuật của công nghệ HVDC để chúng ta
có thể đánh giá một cách toàn điện các ưu nhược điểm của công nghệ HVDC. So
sánh tính kinh tế và kỹ thuật của truyền t
ải HVDC và HVAC.
Nghiên cứu mối quan hệ giao tiếp giữa 2 hệ thống truyền tải HVDC và
HVAC.
Ứng dụng chương trình xử lý toán học Matlab giải quyết bài toán giao tiếp và
phân bố công suất trong hệ thống truyền tải khi có đường dây HVDC.
3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Giải quyết bài toán phân bố công suất của hệ thống HVDC có 2 đầu. Những
phân tích đánh giá chỉ mang tính gợi mở, việc xây dựng các chỉ tiêu kinh tế - kỹ
thuật có thể thực hiện được với thời gian nghiên cứu lâu dài và có sự hợp tác của
nhiều cơ quan liên quan.
7
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI ĐIỆN HVDC
1.1 Lịch sử phát triển công nghệ truyền tải điện một chiều
Điện một chiều (DC) được phát minh ra bởi Thomas Alva Edison (1847-
1931), hệ thống truyền tải điện đầu tiên là hệ thống điện một chiều, công suất thấp
và điện áp thấp.
Năm 1929, các kỹ sư của công ty ASEA (Allmana Svenska Electriska
Aktiebolaget) Thụy Điển đã nghiên cứu và phát triển hệ thống van hồ quang th
ủy
ngân trong việc đóng cắt tần số lưới sử dụng trong việc 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 vào năm 1930 để kiểm tra hoạt động của các van hồ quang thủy ngân trong
quá trình chuyển đổi chiều truyền tải và thay đổi tần số.
Truyền tải
điện cao áp một chiều (HVDC – High Voltage Direction Current)
có những ưu điểm vượt trội hơn so với hơn so với truyền tải HVAC trong những
trường hợp đặc biệt. Ứng dụng thương mại đầu tiên của truyền tải HVDC là giữa
đất liền Thụy Điển - đảo Gotland vào năm 1954. Đây là hệ thống van hồ quang thủy
ngân đầu tiên với công suất truyền tải 20MW và tổng chiề
u dài 98km sử dụng cáp
ngầm vượt biển. Kể từ đó, truyền tải HVDC đã có sự phát triển gia tăng về số
lượng.
Sự ra đời của khóa Valve Thyristor đã làm cho truyền tải HVDC ngày càng trở
nên thu hút hơn. Năm 1972, các van thể rắn được ứng dụng đầu tiên tại Canada
thuộc tỉnh New Brunswick và Quebec. Van Thyristor ngày nay đã trở thành thiết bị
chuẩn cho các trạm biến đổi DC. Sự phát triển gần đây trong thi
ngầm
(km)
Dây trên
không
(km)
Điện áp
(kV)
Công
suất
(MW)
Năm Loại Ghi chú
Xiangjiaba-
Shanghai
2071 ±800 6400 2010 Thyr
ABB,
Siemens,
NR
(Protetion
&
Control)
Yunnan -
Guangdong
1418 ±800 5000 2010 Thyr Siemens
Ningxia -
Tianjing
3000 2010 Thyr Hulunbeir -
Liaoning
Shandong
3000 2011 Thyr
Shandong -
East B2B
1200 2011 Thyr
Melo B2B 500 2011 Thyr
Cometa 247 250 400 2011 Thy
r
Fenno-Skan 2 200 103 500 800 2011 Thyr
Sumatera - Jawa
700 500 3000 2011 Thy
r
Jindo - Jeju 119 250
200
(2x)
2011 Thyr Alstom
Jinping - East
China(Sunan)
2100 ±800 7200 2012 Thyr
NR
(Protetion
&
Control)
Biswanath-
Agra 1825 800 6000
HVDC
BorWin2
200 300 800 2012
IGBT
East West
Interconnector
40 570 350 700 2012 Thyr
Xiluodo -
Guangdong
130 500 2012
Jinhong - Thailand
1286 ±500 6400 2013 Thy
r
Ridgefield B2B
(Hudson Project)
3000 2013 Thyr
Akhaltsikhe
B2B
185 185 2013 Thyr
Copyright: Tài liệu đại học ©