Truyền tải điện năng | HVDC là gì | Các thành phần hệ thống HVDC

Mạng lưới hệ thống điện được phân thành ba phần: Sản xuất, truyền tải và phân phối điện. Hệ thống truyền tải điện năng được sử dụng để kết nối hệ thống sản xuất với tải. Điện áp cao được sử dụng để truyền tải điện năng để giảm tổn thất truyền tải.

Theo loại công suất truyền, các đường truyền được phân thành hai loại

• Đường truyền HVAC
• Đường truyền HVDC

Nguồn được tạo ra dưới dạng nguồn AC và hầu hết tải được thiết kế để hoạt động trên nguồn AC. Do đó, trong một hệ thống truyền dẫn thông thường, năng lượng được truyền qua đường truyền HVAC. Nhưng có một số nhược điểm. Để khắc phục những nhược điểm này và công nghệ mới trong điện tử công suất, đường truyền HVDC được biết đến và thử nghiệm.

HVDC là gì?

HVDC là từ viết tắt của truyền tải điện năng cao áp một chiều hoặc đơn giản là điện cao áp DC. Nó còn được gọi là đường điện cao tốc hoặc dòng điện siêu cao áp. HVDC là một cách hiệu quả để truyền một lượng lớn năng lượng điện sử dụng DC (dòng điện một chiều) qua khoảng cách xa bằng đường dây trên không, cáp ngầm đất hoặc cáp ngầm dưới biển.

Hệ thống truyền tải điện năng HVDC cũng được sử dụng để kết nối các mạng hệ thống điện riêng biệt có đặc tính và tần số khác nhau khi không truyền được AC. Có một số lợi thế của HVDC so với HVAC, đó là lý do tại sao nó được ưa thích so với hệ thống HVAC điển hình.

Chúng ta hãy tìm hiểu tiếp để xem hệ thống truyền tải điện năng HVDC là gì và nó hoạt động như thế nào nhé?

Theo thông tin Wiki:

• Đường dây truyền tải điện HVDC dài nhất thế giới là 2385km tại Madeira, Brazil.
• Gần đây tại Trung Quốc, một công suất 12GW đã được truyền đi ở mức 11kV DC trong khoảng cách 3300km.

Hệ thống truyền tải điện năng HVDC hoạt động như thế nào?

Khi tạo trạm biến áp, nguồn AC được tạo ra có thể được chuyển đổi thành DC bằng cách sử dụng bộ chỉnh lưu. Trong trạm biến áp HVDC hoặc bộ chỉnh lưu biến áp và bộ biến tần được đặt ở cả hai đầu của một đường dây. Thiết bị chỉnh lưu thay đổi AC thành DC, trong khi biến tần chuyển đổi DC thành AC.

Điện áp DC chảy trên các đường dây trên không và một lần nữa DC được chuyển đổi thành AC bằng cách sử dụng các bộ biến tần, được đặt trong trạm biến áp. Công suất vẫn giữ nguyên ở đầu phát và nhận của đường dây. Nguồn DC được truyền qua khoảng cách xa vì nó làm giảm tổn thất và cải thiện hiệu quả.

Một hệ thống có nhiều hơn hai trạm chuyển đổi và một đường truyền được gọi là hai hệ thống truyền tải điện năng DC điểm-điểm. Tương tự, nếu trạm biến áp có nhiều hơn hai trạm chuyển đổi và các đường dây DC nối liền nhau, thì được gọi là trạm truyền tải điện năng DC đa chiều.

Các thành phần của đường truyền tải điện năng HVDC

Hình dưới đây cho thấy sơ đồ đường đơn của đường truyền tải điện năng HVDC. Chúng ta sẽ thảo luận về chức năng của từng thành phần nhé.

Các thành phần được sử dụng cho hệ thống này bao gồm:

• Máy biến áp chuyển đổi
• Bộ chuyển đổi
• Bộ lọc
• Cuộn san dòng
• Điện cực tiếp địa và điện cực đường dây
• Đường truyền hoặc cáp DC
• Nguồn năng lượng phản ứng
• Thiết bị đóng cắt AC

Máy biến áp chuyển đổi

Máy biến áp chuyển đổi khác với máy biến áp thông thường được sử dụng trong đường truyền HVAC. Bởi vì máy biến áp này được kết nối với các thiết bị điện tử công suất và được thiết kế để chịu được điện áp DC và sóng hài.

Trong máy biến áp chuyển đổi, hàm lượng sóng hài thường cao hơn máy biến áp thông thường. Do đó, nó gây ra thông lượng rò rỉ nhiều hơn và nó tạo thành điểm nóng cục bộ trong cuộn dây. Vì vậy, các máy biến áp này yêu cầu bố trí làm mát thêm để tránh ảnh hưởng của điểm nóng.

Máy tăng áp được sử dụng để tăng mức điện áp ở đầu phát và máy hạ áp được sử dụng để giảm mức điện áp ở đầu nhận của đường dây. Có các cấu hình khác nhau tùy theo ứng dụng, tức là hai đơn vị ba pha hoặc ba đơn vị một pha được sử dụng.

Bộ chuyển đổi

Năng lượng điện tạo ra và sử dụng dưới dạng điện xoay chiều. Do đó, các bộ chuyển đổi được sử dụng ở cả hai đầu của đường truyền. Bộ chỉnh lưu được sử dụng để chuyển đổi AC thành DC khi truyền. Và biến tần được sử dụng để chuyển đổi DC thành AC ở đầu nhận của đường truyền. Kích thước của các bộ chuyển đổi này là rất lớn và nói chung, nó được đặt trong một tòa nhà riêng biệt được gọi là hội trường van (Hội trường van là một tòa nhà chứa các van của bộ biến tần tĩnh của nhà máy truyền tải điện năng cao áp DC).

Trong hệ thống HVDC, các thyristor được sử dụng như một công tắc điện tử công suất trong bộ chuyển đổi. Những bộ chuyển đổi này được gọi là bộ chuyển đổi dòng chuyển mạch. Trong bộ chuyển đổi bản cực thyristor, van thyristor được nhóm lại theo cặp. Mỗi bộ chuyển đổi bao gồm sáu hoặc mười hai van. Nó đòi hỏi điện áp từ hệ thống AC để truyền. Nhưng sau đó, các bộ chuyển đổi nguồn điện áp được giới thiệu. Loại bộ chuyển đổi này đã sử dụng IGBT (Transitor cổng lưỡng cực cách điện) thay cho thyristor. Và bộ chuyển đổi này không cần điện áp xoay chiều để kết nối.

Bộ lọc

Các bộ chuyển đổi sử dụng công tắc điện tử công suất. Các sóng hài được tạo ra do bật mở điện trong bộ chuyển đổi ở cả hai đầu của đường truyền. Những sóng hài này được chuyển đến hệ thống AC. Và điều đó có thể được dẫn đến quá nóng thiết bị. Do đó, cần phải giảm hoặc loại bỏ sóng hài. Các bộ lọc được sử dụng để giảm sóng hài.

Các bộ lọc này được sử dụng ở cả phía AC và DC. Bộ lọc được sử dụng trong hệ thống AC được gọi là bộ lọc AC và bộ lọc được sử dụng trong hệ thống DC được gọi là bộ lọc DC. Nó bao gồm các chuỗi kết hợp của tụ điện và cuộn cảm và điều chỉnh để loại bỏ các tần số hài dự kiến.

Bộ lọc AC cung cấp trở kháng thấp và các thành phần thụ động được sử dụng. Bộ lọc AC cung cấp công suất phản kháng cần thiết cho hoạt động của bộ chuyển đổi. Các bộ lọc DC có kích thước nhỏ và ít tốn kém hơn so với các bộ lọc AC. Cường độ sóng hài ít hơn trong các bộ biến đổi nguồn điện áp so với các bộ biến đổi chuyển mạch.

Cuộn san dòng

Cuộn sang dòng được kết nối nối tiếp với bộ chuyển đổi ở phía DC. Nó được sử dụng để làm cho dòng gợn sóng tự do và giảm sóng hài trong hệ thống DC. Cuộn san dòng cũng được sử dụng cho mục đích bảo vệ bằng cách hạn chế dòng sự cố. Nó có thể được kết nối ở dây nóng hoặc trung tính.

Các cuộn sang dòng cũng được sử dụng để điều chỉnh dòng điện một chiều. Nếu một sự thay đổi đột ngột xảy ra trong dòng điện một chiều, nó sẽ tác động và cho phép dòng điện một chiều chảy ở một giá trị cố định. Do đó, nó làm giảm xung đột trên van chuyển đổi bằng cách ngăn chặn những thay đổi đột ngột. Cuộn san dòng là cuộn làm mát bằng dầu có độ tự cảm cao.

Điện cực tiếp địa và điện cực đường dây

Điểm giữa của bộ chuyển đổi là mass thông qua điện cực tiếp địa ở cả hai phía của đường truyền. Các điện cực này được đặt ở khoảng cách xa (5 đến 20 km) từ trạm biến áp. Và đường dây điện cực được sử dụng để tạo kết nối với các điện cực tiếp địa. Để giảm sự ăn mòn điện, thảm đất cũng được sử dụng.

Dây truyền và cáp DC

Tuỳ theo loại hệ thống HVDC, mà số lượng dây dẫn được chọn. Nó được sử dụng để truyền nguồn HVDC từ đầu phát đến đầu nhận. Trong hệ thống DC, không có hiệu ứng bề mặt do không có tần số. Và so với hệ thống HVAC, kích thước của dây dẫn là nhỏ hơn nếu xét cùng một công suất.

Nguồn năng lượng phản ứng

Công suất phản kháng là cần thiết cho hoạt động của bộ chuyển đổi. Công suất này có thể được cung cấp thông qua giàn tụ điện, tụ điện đồng bộ hoặc trạm phát phù hợp nằm gần bộ chuyển đổi.

Trong trường hợp bộ chuyển đổi chuyển mạch, công suất phản kháng cần thiết nằm trong khoảng 40-60% mức công suất của nó. Nhu cầu này có thể được giảm bằng máy biến áp chuyển đổi có đủ phạm vi thay đổi điểm nối dây trên tải. Bộ lọc sóng hài cung cấp một lượng công suất phản kháng.

Trong trường hợp bộ chuyển đổi nguồn điện áp, nó có thể tạo ra hoặc hấp thụ công suất phản kháng hoặc công suất thực. Do đó, nó không đòi hỏi một nguồn năng lượng phản ứng bổ sung.

Thiết bị đóng cắt AC

Trạm chuyển đổi bao gồm nhiều thiết bị bảo vệ khác nhau như bộ ngắt mạch, công tắc nối đất, công tắc cách ly và thiết bị chiếu sáng. Bộ ngắt mạch được sử dụng để bảo vệ các bộ chuyển đổi chống lại quá nhiệt.

Thiết bị chống sét được sử dụng để bảo vệ trạm chuyển đổi khỏi sự cố sét trên hệ thống AC. Nó cũng bao gồm một máy biến áp để đo lường cũng như các mục đích kiểm soát và bảo vệ.

Các loại đường truyền tải điện năng HVDC

Tuỳ theo sự sắp xếp của các đường cáp truyền tải điện năng HVDC. Các đường truyền được phân thành bốn loại, như sau:

• Hệ thống đơn cực
• HVDC ưỡng cực
• Hệ thống đồng cực
• Hệ thống HVDC giáp lưng

Ưu điểm của đường truyền tải điện năng HVDC

Lý do chọn truyền tải điện năng HVDC thay vì AC cho một dự án cụ thể thường rất nhiều và phức tạp. Có thể là dựa trên một số đặc điểm như:

• Chi phí đầu tư thấp hơn
• Truyền tải đường dài tốt hơn
• Giảm bù lỗ
• Cho phép kết nối các mạng điện không đồng bộ
• Khả năng kiểm soát cao
• Hạn chế dòng điện ngắn mạch
• Môi trường ít ảnh hưởng…

Nói chung, các lý do khác nhau để sử dụng HVDC rơi vào hai nhóm chính,

• HVDC là cần thiết hoặc mong muốn theo quan điểm kỹ thuật (đó là khả năng kiểm soát).
• HVDC dẫn đến tổng đầu tư thấp hơn (bao gồm cả tổn thất thấp hơn) và; hoặc vượt trội về môi trường.

Trong nhiều trường hợp, các dự án được chứng minh bằng sự kết hợp lợi ích từ hai nhóm. Các khía cạnh môi trường cũng ngày càng quan trọng. Và HVDC có lợi thế về tác động môi trường thấp hơn AC. Do các đường truyền nhỏ hơn nhiều và cần ít không gian hơn cho cùng công suất.

Một trong những khác biệt quan trọng nhất giữa HVDC và AC; là khả năng kiểm soát chính xác công suất hoạt động được truyền trên đường dây HVDC. Điều này trái ngược với các dòng AC, nơi dòng điện không thể được kiểm soát theo cùng một cách trực tiếp. Khả năng điều khiển của nguồn HVDC thường được sử dụng để cải thiện các điều kiện hoạt động của mạng AC; nơi đặt các trạm chuyển đổi.

Nhược điểm của đường truyền tải điện năng HVDC

Bên cạnh những ưu điểm của đường truyền tải điện năng HVDC, thì chúng cũng còn tồn tại những mặt hạn chế; những khuyết điểm cần khắc phục trong tương lai, chẳng hạn như:

• Bộ chuyển đổi và bộ lọc được sử dụng ở cả hai đầu của đường truyền. Và chi phí của thiết bị này là rất cao.
• Chi phí của bộ ngắt mạch DC rất cao so với bộ ngắt mạch AC. Đó là công nghệ mới nổi và vẫn đang được phát triển.
• Các máy biến áp được sử dụng để thay đổi mức điện áp trong hệ thống AC. Nhưng rất khó để thay đổi mức điện áp, đặc biệt trong trường hợp điện áp cao cho các hệ thống DC.
• Trong điều kiện bất thường, rất khó kiểm soát bộ chuyển đổi. Và nó đòi hỏi kiến thức và công nghệ tiên tiến của điện tử công suất. Ngoài ra, có một vấn đề với việc làm mát các công tắc điện tử công suất được sử dụng trong bộ chuyển đổi.
• Bộ chuyển đổi không thể hoạt động trong tình trạng quá tải. Vì vậy, hệ thống này không thể hoạt động trong điều kiện quá tải.

Các bạn thấy hệ thống truyền tải điện năng HVDC như thế nào? Có phải là tuyệt vời để thay thế hệ thống HVAC phải không nào?

Bài viết nhằm cung cấp cho các bạn những thông tin về công nghệ mới trong truyền tải điện năng.

Hy vọng sẽ nhận được những góp ý và chia sẻ của các bạn. Cảm ơn!