Cấu hình Hệ thống Điện áp Trực tiếp Cao (HVDC)

Điện áp Trực tiếp Cao, thường được viết tắt là HVDC, là một phương pháp truyền tải điện hiệu quả cao, giảm đáng kể tổn thất điện năng so với truyền tải bằng dòng xoay chiều (AC) truyền thống. Hệ thống HVDC có thể được triển khai trong nhiều cấu hình khác nhau, mỗi cấu hình được điều chỉnh theo yêu cầu hoạt động cụ thể. Bài viết này cung cấp một cái nhìn tổng quan ngắn gọn về các loại cấu hình chính của hệ thống HVDC.

Hệ thống HVDC Back-to-Back

Trong cấu hình HVDC back-to-back (B2B), cả bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu, là các thành phần chính của bộ chuyển đổi, đều được đặt trong cùng một trạm đầu cuối. Hai thành phần chuyển đổi này được kết nối trực tiếp với nhau. Chức năng chính của cấu hình này là kết nối hai hệ thống điện xoay chiều riêng biệt. Nó thực hiện điều này bằng cách trước tiên chuyển đổi điện AC vào thành DC thông qua bộ chỉnh lưu, sau đó nhanh chóng chuyển đổi lại điện DC thành AC sử dụng bộ nghịch lưu.

Hệ thống HVDC Back-to-Back (tiếp theo)

Cấu hình HVDC back-to-back được lắp đặt trong một phòng duy nhất và dùng để kết nối hai hệ thống điện xoay chiều không đồng bộ. Do kết nối trực tiếp back-to-back giữa bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu, không cần đến đường dây truyền tải DC. Để giảm số lượng thyristor nối tiếp, điện áp DC trung gian được duy trì ở mức thấp. Trong khi đó, định mức dòng điện của cấu hình này có thể đạt vài nghìn ampe.

Loại hệ thống HVDC này đặc biệt hữu ích cho việc kết nối hai hệ thống điện xoay chiều không đồng bộ trong các trường hợp sau:

• Khi hai hệ thống AC hoặc lưới điện hoạt động ở tần số khác nhau.

• Khi hai hệ thống có cùng tần số nhưng có sự khác biệt về pha.

Hệ thống HVDC Hai Đầu Cuối

Trong cấu hình hệ thống HVDC hai đầu cuối, có hai trạm đầu cuối riêng biệt, mỗi trạm đóng vai trò là trạm chuyển đổi. Một trạm chứa bộ chỉnh lưu, trong khi trạm kia chứa bộ nghịch lưu. Hai đầu cuối này được kết nối bởi đường dây truyền tải HVDC, cho phép truyền tải điện hiệu quả qua khoảng cách xa. Cấu hình này được thiết kế để vượt qua hạn chế của truyền tải AC truyền thống cho việc truyền tải điện trên quãng đường dài, tận dụng lợi thế của điện DC để giảm thiểu tổn thất điện năng và tăng cường hiệu suất truyền tải trên diện tích rộng lớn.

Hệ thống HVDC hai đầu cuối có kết nối trực tiếp giữa hai điểm mà không có bất kỳ đường dây truyền tải song song nào hoặc các điểm đấu giữa dọc theo đường dây. Đặc điểm này tạo ra tên gọi thay thế là truyền tải điện từ điểm đến điểm. Nó rất phù hợp cho các ứng dụng cung cấp điện giữa hai địa điểm cách xa nhau về mặt địa lý.

Một trong những ưu điểm nổi bật của hệ thống HVDC hai đầu cuối là không cần thiết phải có mạch ngắt HVDC. Trong trường hợp bảo dưỡng hoặc khi xử lý sự cố, các mạch ngắt AC trên phía AC có thể được sử dụng để ngắt nguồn cho đường dây DC. So với mạch ngắt DC, mạch ngắt AC có thiết kế đơn giản hơn và chi phí thấp hơn, làm cho hệ thống HVDC hai đầu cuối tiết kiệm hơn và dễ bảo dưỡng hơn.

Hệ thống Đa Đầu Cuối DC (MTDC)

Hệ thống Đa Đầu Cuối DC (MTDC) đại diện cho một cấu hình HVDC phức tạp hơn. Nó sử dụng nhiều đường dây truyền tải để thiết lập kết nối giữa nhiều điểm hơn. Cấu hình này bao gồm nhiều trạm đầu cuối, mỗi trạm được trang bị bộ chuyển đổi riêng, tất cả đều được liên kết bởi mạng lưới truyền tải HVDC. Trong mạng lưới này, một số bộ chuyển đổi hoạt động như bộ chỉnh lưu, chuyển đổi điện AC thành DC, trong khi những bộ khác hoạt động như bộ nghịch lưu, chuyển đổi điện DC trở lại AC để phân phối cho tải. Nguyên tắc cơ bản của hệ thống MTDC là tổng công suất cung cấp bởi các trạm chỉnh lưu phải bằng tổng công suất nhận được bởi các trạm nghịch lưu (tải), đảm bảo luồng điện cân bằng và hiệu quả xuyên suốt mạng lưới được liên kết.

Hệ thống Đa Đầu Cuối DC (MTDC) (tiếp theo)

Mạng lưới MTDC tương tự như lưới điện AC về tính linh hoạt, nhưng nó mang lại một lợi thế độc đáo: khả năng kiểm soát chính xác luồng điện trong mạng lưới phân phối DC. Tuy nhiên, chức năng nâng cao này đi kèm với sự phức tạp tăng lên, khiến hệ thống MTDC trở nên phức tạp hơn nhiều so với cấu hình hệ thống HVDC hai đầu cuối.

Trong cấu hình MTDC, việc dựa vào mạch ngắt AC trên phía AC là không khả thi. Không giống như trong hệ thống hai đầu cuối, việc sử dụng mạch ngắt AC sẽ ngắt toàn bộ mạng lưới DC thay vì chỉ cô lập đường dây bị lỗi hoặc cần bảo dưỡng. Để giải quyết vấn đề này, hệ thống MTDC yêu cầu nhiều thành phần đóng cắt DC, như mạch ngắt. Những mạch ngắt DC chuyên dụng này được thiết kế để an toàn ngắt nguồn hoặc cô lập các phần cụ thể trong quá trình bảo dưỡng hoặc khi xử lý sự cố, đảm bảo sự ổn định và tin cậy của mạng lưới.

Giữ cân bằng hệ thống là rất quan trọng trong hệ thống MTDC. Tổng dòng điện cung cấp bởi các trạm chỉnh lưu phải chính xác khớp với dòng điện tiêu thụ bởi các trạm nghịch lưu. Khi có nhu cầu điện đột ngột tăng từ bất kỳ trạm nghịch lưu nào, công suất điện DC cần được tăng lên tương ứng để đáp ứng tải tăng. Trong quá trình này, cần theo dõi và kiểm soát chặt chẽ cả điện áp cung cấp và hoạt động của các bộ nghịch lưu để tránh quá tải, điều này có thể dẫn đến sự cố hệ thống.

Một trong những ưu điểm chính của hệ thống MTDC là độ tin cậy trong trường hợp ngừng hoạt động bắt buộc. Trong trường hợp xảy ra sự cố mất điện không mong đợi tại một trong các trạm phát điện, hệ thống có thể nhanh chóng chuyển hướng điện năng thông qua các trạm chuyển đổi khác, giảm thiểu gián đoạn đối với nguồn cung cấp điện tổng thể.

Ứng dụng của Hệ thống MTDC

• Tích hợp Năng lượng Tái tạo: Giúp kết nối nhiều nông trại năng lượng tái tạo dựa trên DC với các lưới điện khác nhau, cho phép phân phối hiệu quả năng lượng sạch.

• Năng lượng Gió Biển: Cho phép kết nối nhiều trang trại gió ngoài khơi với lưới điện trên bờ, khắc phục các thách thức liên quan đến việc truyền tải lượng lớn điện năng từ các vị trí xa xôi ngoài khơi.

• Chuyển tải Điện Lớn: Cho phép chuyển tải điện quy mô lớn từ nhiều trạm phát điện AC ở xa đến nhiều trung tâm tải, tối ưu hóa phân phối điện trên diện tích rộng lớn.

• Kết nối Mạng Điện: Cho phép kết nối giữa hai hệ thống điện xoay chiều không đồng bộ, nâng cao độ ổn định của lưới điện và khả năng trao đổi điện.

• Phân bổ Lại Điện: Cho phép phân bổ lại nguồn cung cấp điện trong trường hợp có sự cố tại các trạm phát điện riêng lẻ, đảm bảo cung cấp điện liên tục cho người tiêu dùng.

• Hỗ trợ Mạng Điện AC: Có thể cung cấp thêm điện cho các mạng lưới điện AC bị quá tải bằng cách sử dụng một bộ chỉnh lưu và nhiều bộ nghịch lưu để tiêm điện vào lưới điện AC, giảm ùn tắc và cải thiện hiệu suất tổng thể của lưới điện.

• Phân phối Điện Linh hoạt: Cung cấp tính linh hoạt để lấy điện tại nhiều điểm trong mạng lưới, thích ứng với nhu cầu điện đa dạng và yêu cầu phân phối.

Hệ thống MTDC có thể được phân loại thành hai loại chính:

Hệ thống MTDC Loạt

Trong cấu hình hệ thống MTDC loạt, nhiều trạm chuyển đổi được kết nối theo loạt, giống như các thành phần trong mạch điện loạt. Đặc điểm nổi bật của cấu hình này là dòng điện chảy qua mỗi trạm chuyển đổi là giống nhau, được đặt bởi một trong các trạm. Tuy nhiên, sự sụt giảm điện áp được phân phối giữa các trạm chuyển đổi, với mỗi trạm trải qua một phần của tổng sự sụt giảm điện áp trên mạng lưới kết nối theo loạt.

Hệ thống MTDC Loạt (tiếp theo)

Hệ thống MTDC loạt có thể được coi là phiên bản mở rộng của hệ thống HVDC hai đầu cuối, bao gồm nhiều trạm chuyển đổi được kết nối theo loạt, như được minh họa trong sơ đồ đi kèm. Thông thường, các trạm chuyển đổi trong cấu hình MTDC loạt có công suất thấp hơn so với những trạm được sử dụng trong hệ thống MTDC song song.

Hệ thống này thường sử dụng các đường dây DC đơn cực, nơi đường dây DC được nối đất tại chỉ một điểm cụ thể. Để bảo vệ chống lại các xung điện tạm thời, có thể lắp đặt một tụ điện nối đất tại các điểm khác dọc theo đường dây như một biện pháp bảo vệ bổ sung.

Việc phối hợp cách điện trong hệ thống MTDC loạt gặp nhiều thách thức do điện áp DC khác nhau tại mỗi trạm. Cơ chế kiểm soát luồng điện trong hệ thống MTDC loạt phức tạp hơn so với hệ thống MTDC song song. Trong hệ thống MTDC song song, luồng điện có thể được điều chỉnh bằng cách tiêm dòng điện vào các đường dây cụ thể, trong khi đó, trong hệ thống MTDC loạt, việc kiểm soát luồng điện phụ thuộc vào việc điều chỉnh điện áp tại mỗi trạm đầu cuối.

Việc đảo chiều luồng điện trong hệ thống MTDC loạt có thể được thực hiện dễ dàng bằng cả Bộ Chuyển Đổi Nguồn Điện Áp (VSC) và Bộ Chuyển Đổi Nguồn Dòng (CSC). Tuy nhiên, khi có sự cố hoặc cần bảo dưỡng cho một đường dây cụ thể, toàn bộ mạng lưới DC sẽ bị cúp điện. Giống như hệ thống HVDC hai đầu cuối, các mạch ngắt trên phía AC được sử dụng để ngắt nguồn cho mạng lưới DC. Việc mở rộng hệ thống MTDC loạt cũng gặp khó khăn. Việc lắp đặt các trạm đầu cuối mới đòi hỏi phải ngắt hoàn toàn mạng lưới, vì mạng lưới DC hình vòng phải được chia cắt tại điểm lắp đặt, làm gián đoạn nguồn cung cấp điện cho tất cả các trạm khác dọc theo đường đi.

Hệ thống MTDC Song Song

Trong cấu hình hệ thống MTDC song song, nhiều trạm chuyển đổi hoạt động như bộ nghịch lưu hoặc trạm tải được kết nối với một trạm chuyển đổi duy nhất hoạt động như bộ chỉnh lưu. Trạm chỉnh lưu này cung cấp điện cho toàn bộ mạng lưới DC. Tương tự như một mạch điện song song, điện áp giữ nguyên trên tất cả các trạm nghịch lưu hoặc trạm tải, giá trị của nó được đặt bởi một trong các trạm chuyển đổi. Ngược lại, dòng điện cung cấp thay đổi theo nhu cầu điện tại mỗi trạm. Để duy trì dòng điện cung cấp cân bằng, dòng điện được điều chỉnh động theo yêu cầu điện của từng trạm tải. Nhìn chung, các trạm đầu cuối trong hệ thống MTDC song song có công suất cao hơn so với các trạm trong mạng lưới MTDC loạt.

Hệ thống MTDC Song Song (tiếp theo)

Việc đảo chiều luồng điện trong hệ thống MTDC song song có thể được thực hiện thông qua các phương pháp đảo chiều điện áp hoặc đảo chiều dòng điện. Khi sử dụng phương pháp đảo chiều điện áp, thường liên quan đến các trạm đầu cuối dựa trên Bộ Chuyển Đổi Nguồn Dòng (CSC), nó có ảnh hưởng đến tất cả các trạm chuyển đổi. Do đó, một hệ thống kiểm soát và giao tiếp tinh vi phải được triển khai giữa các bộ chuyển đổi này để quản lý tác động này. Mặt khác, nếu việc đảo chiều luồng điện được thực hiện bằng phương pháp đảo chiều dòng điện, thường liên quan đến các trạm đầu cuối dựa trên Bộ Chuyển Đổi Nguồn Điện Áp (VSC), quá trình này dễ dàng thực hiện hơn nhiều. Đây là lý do chính khiến VSC được ưa chuộng hơn CSC trong hệ thống MTDC song song.

Trong hệ thống MTDC dựa trên VSC, do điện áp giữ nguyên, công suất định mức của trạm đầu cuối được xác định bởi định mức dòng điện của bộ chuyển đổi van. Cấu hình này mang lại lợi thế đáng kể về kiểm soát luồng điện trong mạng lưới DC. Nó có thể điều chỉnh chính xác luồng điện bằng cách tiêm dòng điện vào các đường dây cụ thể, đây là cách tiếp cận thuận tiện hơn so với cơ chế kiểm soát công suất trong hệ thống loạt, phụ thuộc vào việc kiểm soát điện áp tại mỗi trạm.

Một trong những đặc điểm nổi bật nhất của hệ thống MTDC song song là khả năng chịu đựng sự cố. Nếu có sự cố xảy ra ở bất kỳ trạm đầu cuối nào, phần còn lại của mạng lưới DC vẫn không bị ảnh hưởng. Tuy nhiên, để cô lập các đường dây DC cụ thể liên quan đến trạm bị lỗi, cần có một mạch ngắt DC riêng. Ngoài ra, trong quá trình mở rộng mạng lưới DC, không cần phải ngắt nguồn điện. Điều này là vì các trạm đầu cuối mới có thể được lắp đặt song song với các đường dây hiện có, đảm bảo tích hợp liền mạch mà không gián đoạn phân phối điện đang diễn ra.

Một lợi thế khác của hệ thống MTDC song song là việc phối hợp cách điện tương đối đơn giản so với hệ thống loạt. Do điện áp giữ nguyên trên toàn mạng lưới, yêu cầu cách điện dễ quản lý hơn.

Hệ thống MTDC song song có thể được phân loại thành hai loại:

Hệ thống MTDC Hình Quạt

Hệ thống MTDC hình quạt là một loại cấu hình MTDC song song cụ thể. Trong cấu hình này, nếu có sự gián đoạn trong đường dây truyền tải hoặc việc loại bỏ một liên kết, nó sẽ dẫn đến sự gián đoạn nguồn cung cấp điện cho một hoặc nhiều trạm chuyển đổi. Đặc điểm này khiến hệ thống MTDC hình quạt có chút yếu kém đối với các kịch bản hỏng hóc tại một điểm, vì bất kỳ sự gián đoạn nào trong đường dây truyền tải có thể ảnh hưởng trực tiếp đến nguồn cung cấp điện cho một số phần của mạng lưới.

Hình vẽ minh họa cấu hình trong đó bốn trạm nghịch lưu được kết nối với một trạm chỉnh lưu duy nhất. Trong cấu hình này, rõ ràng nếu có sự gián đoạn trong bất kỳ đường dây nào, nó sẽ không thể tránh khỏi gây ra sự gián đoạn nguồn cung cấp điện cho ít nhất một trạm đầu cuối. Sự yếu kém này khiến hệ thống MTDC hình quạt ít tin cậy hơn so với các hệ thống MTDC dạng Mạng hoặc Hình Vòng.

Hệ thống MTDC Hình Mạng (Hình Vòng)

Trong hệ thống MTDC hình mạng hoặc hình vòng, các trạm nghịch lưu (trạm tải) được kết nối với một trạm chỉnh lưu duy nhất theo hình mạng hoặc hình vòng. Một trong những ưu điểm chính của cấu hình này là ngay cả khi có sự gián đoạn trong một đường dây truyền tải hoặc việc loại bỏ một liên kết, nó không dẫn đến sự gián đoạn nguồn cung cấp điện cho bất kỳ trạm nghịch lưu nào. Hình vẽ tiếp theo minh họa rõ ràng một hệ thống MTDC hình mạng hoặc hình vòng. Khả năng chịu đựng sự cố đường dây này làm cho hệ thống MTDC hình mạng hoặc hình vòng là lựa chọn tin cậy hơn cho việc truyền tải và phân phối điện trong một số ứng dụng, vì nó có thể chịu đựng tốt hơn các sự cố và đảm bảo nguồn cung cấp điện liên tục cho các trạm tải được kết nối.

Như được minh họa, trong hệ thống MTDC hình mạng hoặc hình vòng, việc loại bỏ bất kỳ liên kết nào không làm gián đoạn nguồn cung cấp điện cho bất kỳ trạm chuyển đổi nào. Thay vào đó, điện năng được tự động chuyển hướng thông qua các liên kết thay thế trong mạng lưới. Việc chuyển hướng liền mạch này được thực hiện nhờ vào tính chất liên kết của cấu hình mạng hoặc hình vòng. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng các liên kết thay thế này phải được thiết kế kỹ lưỡng để xử lý lượng truyền tải điện tăng lên trong khi giảm thiểu tổn thất điện năng.

Sự không gián đoạn nguồn cung cấp điện trong hệ thống MTDC hình mạng là một ưu điểm đáng kể. Nó đảm bảo nguồn cung cấp điện liên tục và ổn định, ngay cả khi có sự cố liên kết không mong đợi. Do đó, hệ thống MTDC hình mạng kết nối song song mang lại độ tin cậy cao hơn so với hệ thống hình quạt kết nối song song. Độ dễ bị gián đoạn nguồn cung cấp điện do sự cố liên kết đơn lẻ của hệ thống hình quạt không thể so sánh với khả năng mạnh mẽ của hệ thống hình mạng hoặc hình vòng trong việc duy trì luồng điện trong các tình huống tương tự, làm cho hệ thống MTDC hình mạng hoặc hình vòng là lựa chọn ưu tiên cho các ứng dụng đòi hỏi việc cung cấp điện không gián đoạn là rất quan trọng.