Những Ưu Điểm Của HVDC So Với HVAC Trong Truyền tải Điện
Những Ưu Điểm Của HVDC So Với HVAC?
Điện đi qua hàng trăm dặm trước khi đến với người tiêu dùng. Các nhà máy điện, thường ở xa, cung cấp điện thông qua hàng trăm dặm và nhiều trạm biến áp. Truyền tải điện áp cao giảm thiểu tổn thất đường dây, cả AC và DC đều được sử dụng. Mặc dù AC quen thuộc thông qua các cột điện và ổ cắm tại nhà, HVDC mang lại những ưu điểm độc đáo trong truyền tải điện.
Mục tiêu của truyền tải điện là giảm thiểu tổn thất và chi phí. Mặc dù cả hai đều chịu ảnh hưởng từ các yếu tố, HVDC có nhiều ưu điểm hơn. Bài viết này khám phá những ưu điểm của HVDC so với HVAC:
Chi Phí Truyền Tải Thấp Hơn
Chi phí truyền tải phụ thuộc vào thiết bị chuyển đổi điện áp đầu cuối, số lượng và kích thước dây dẫn, kích thước tháp và tổn thất. HVAC sử dụng biến áp để chuyển đổi—đơn giản và rẻ hơn so với bộ chuyển đổi thyristor của HVDC, đây là lợi thế duy nhất về chi phí.
HVAC cần ít nhất 3 dây dẫn cho truyền tải 3 pha. HVDC, sử dụng đất làm đường hồi, chỉ cần 1 dây dẫn (đơn cực) hoặc 2 (song cực), giảm chi phí. Ngay cả 3 dây dẫn 3 pha cũng có thể truyền gấp đôi công suất thông qua liên kết song cực kép của HVDC.
HVAC yêu cầu khoảng cách lớn hơn giữa pha và đất, và giữa pha và pha, đòi hỏi tháp cao và rộng hơn. Tháp HVDC giảm chi phí lắp đặt. HVDC cũng có tổn thất truyền tải thấp hơn đáng kể, làm cho nó hiệu quả hơn.
Tổng chi phí truyền tải có thể chia thành hai loại chính: chi phí trạm đầu cuối và chi phí đường dây. Chi phí trạm đầu cuối là một khoản cố định, không phụ thuộc vào khoảng cách truyền tải, trong khi chi phí đường dây thay đổi theo chiều dài đường dây. Chi phí trạm đầu cuối AC tương đối thấp, trong khi chi phí trạm đầu cuối HVDC cao hơn đáng kể. Tuy nhiên, chi phí cho mỗi 100 km đường dây HVAC cao hơn nhiều so với đường dây HVDC. Do đó, đường cong tổng chi phí của HVAC và HVDC giao nhau tại một điểm được gọi là khoảng cách hòa vốn.
Khoảng cách hòa vốn là độ dài truyền tải vượt quá mức mà tổng chi phí đầu tư của HVAC vượt quá chi phí của HVDC. Khoảng cách này thay đổi tùy theo loại truyền tải: khoảng 400-500 dặm (600-800 km) cho đường dây trên không, 20-50 km cho đường dây dưới nước, và 50-100 km cho đường dây ngầm. Sau ngưỡng này, HVDC trở thành lựa chọn hiệu quả và kinh tế hơn cho truyền tải điện.
Truyền tải HVDC có tổn thất thấp hơn đáng kể so với HVAC, với cải thiện chủ yếu trong các lĩnh vực sau:
Không Có Tổn Thất Công Suất Phản Hồi
Truyền tải HVAC chịu tổn thất công suất phản hồi, tỷ lệ thuận với chiều dài đường dây, tần số và tải cảm ở đầu nhận. Những tổn thất này giảm công suất truyền tải hiệu quả và lãng phí năng lượng, hạn chế chiều dài tối đa của đường dây HVAC hiệu quả. Để giảm bớt điều này, hệ thống HVAC dựa vào bù nối tiếp và song song để giảm VARs (volt-ampere phản hồi) và duy trì ổn định.
Ngược lại, HVDC hoạt động mà không có tần số hoặc dòng điện nạp, hoàn toàn loại bỏ tổn thất công suất phản hồi. Điều này loại bỏ nhu cầu cho các biện pháp bù.
Giảm Tổn Thất Corona
Khi điện áp truyền tải vượt quá ngưỡng critical (điện áp khởi phát corona), các phân tử khí xung quanh dây dẫn ion hóa, tạo ra tia lửa (xả corona) lãng phí năng lượng. Tổn thất corona phụ thuộc vào mức điện áp và tần số. Vì DC có tần số bằng không, tổn thất corona của HVDC chỉ khoảng một phần ba so với hệ thống HVAC.
Không Có Hiệu Ứng Da
Dòng điện AC biểu hiện hiệu ứng da, nơi dòng điện tập trung gần bề mặt dây dẫn, để lõi không được sử dụng. Sự phân bố dòng điện không đồng đều này giảm diện tích tiết diện hiệu dụng của dây dẫn, tăng sức cản (vì sức cản ngược tỷ lệ với diện tích) và dẫn đến tổn thất I²R cao hơn trong đường dây HVAC. HVDC, với dòng điện trực tiếp ổn định, tránh hiệu ứng này, đảm bảo sự phân bố dòng điện đồng đều trên dây dẫn và giảm thiểu tổn thất do sức cản.
Không Có Tổn Thất Bức Xạ Hoặc Cảm ứng
Đường dây truyền tải HVAC chịu tổn thất bức xạ và cảm ứng do trường từ biến đổi liên tục. Tổn thất bức xạ xảy ra vì các đường dây AC dài hoạt động như ăng ten, bức xạ năng lượng không thể thu hồi. Tổn thất cảm ứng xuất phát từ dòng điện cảm ứng trong các dây dẫn gần đó bởi trường từ biến đổi.Trong hệ thống HVDC, trường từ là hằng số, loại bỏ hoàn toàn cả tổn thất bức xạ và cảm ứng.
Giảm Tổn Thất Dòng Điện Nạp
Các cáp ngầm và dưới nước có điện dung ký sinh tự nhiên, đòi hỏi phải nạp điện trước khi chúng có thể truyền tải điện. Điện dung tăng theo chiều dài cáp, và do đó dòng điện nạp cũng tăng theo.
Trong hệ thống AC, các cáp nạp và xả nhiều lần mỗi giây, rút thêm dòng điện từ nguồn để duy trì chu kỳ này. Dòng điện bổ sung này tăng tổn thất I²R trong cáp.Các cáp HVDC, tuy nhiên, chỉ cần nạp điện một lần trong quá trình khởi động ban đầu hoặc chuyển mạch. Điều này loại bỏ tổn thất liên quan đến dòng điện nạp liên tục.
Không Có Tổn Thất Sưởi Nóng Điện Cách
Trường điện xoay chiều trong hệ thống AC ảnh hưởng đến vật liệu cách điện trong đường dây, khiến chúng hấp thụ năng lượng và chuyển đổi thành nhiệt—hiện tượng được gọi là tổn thất điện cách. Điều này không chỉ lãng phí năng lượng mà còn làm ngắn tuổi thọ cách điện.Hệ thống HVDC tạo ra trường điện hằng số, tránh tổn thất điện cách và các vấn đề sưởi nóng cách điện liên quan.
3) Dây Dẫn Mỏng Hơn
Hiệu ứng da trong AC khiến dòng điện tập trung gần bề mặt dây dẫn, đòi hỏi dây dẫn dày hơn để tăng diện tích bề mặt và chứa dòng điện lớn hơn.HVDC, miễn nhiễm với hiệu ứng da, cho phép dòng điện phân bố đồng đều trên tiết diện dây dẫn. Điều này cho phép sử dụng dây dẫn mỏng hơn trong khi vẫn giữ nguyên khả năng truyền tải dòng điện, giảm chi phí vật liệu và trọng lượng.
4) Giới Hạn Chiều Dài Đường Dây
Đường dây HVAC chịu tổn thất công suất phản hồi tăng trực tiếp theo chiều dài đường dây. Điều này đặt một giới hạn quan trọng về khoảng cách truyền tải HVAC: vượt quá khoảng 500 km cho đường dây trên không, tổn thất công suất phản hồi trở nên quá cao, làm mất ổn định hệ thống.Truyền tải HVDC, ngược lại, không có giới hạn chiều dài nào, làm cho nó phù hợp cho việc truyền tải điện siêu dài.
5) Giảm Yêu Cầu Đánh Giá Cáp
Các cáp được đánh giá dựa trên điện áp và dòng điện tối đa có thể chịu đựng. Trong hệ thống AC, điện áp và dòng điện đỉnh khoảng 1,4 lần giá trị trung bình (tương ứng với công suất thực tế truyền tải). Tuy nhiên, dây dẫn phải được đánh giá theo các giá trị đỉnh.Trong hệ thống DC, giá trị đỉnh và trung bình là giống nhau. Điều này có nghĩa là HVDC có thể truyền tải cùng một công suất sử dụng các cáp có điện áp và dòng điện đánh giá thấp hơn so với HVAC. Thực tế, hệ thống HVAC hiệu quả chỉ sử dụng khoảng 70% công suất của dây dẫn do yêu cầu đỉnh cao hơn.
6) Đường Đi Narrower Right-of-Way
"Right-of-way" đề cập đến hành lang đất cần thiết cho cơ sở hạ tầng truyền tải. Hệ thống HVDC yêu cầu right-of-way hẹp hơn vì chúng sử dụng tháp nhỏ hơn và ít dây dẫn hơn.Ngược lại, HVAC cần tháp cao hơn để hỗ trợ nhiều dây dẫn và cách điện lớn hơn (được đánh giá theo điện áp đỉnh AC), đòi hỏi cấu trúc hỗ trợ mạnh mẽ hơn. Diện tích lớn hơn này tăng chi phí vật liệu, xây dựng và đất đai—làm cho HVDC vượt trội về hiệu quả right-of-way.
7) Truyền Tải Dựa Trên Cáp Tốt Hơn
Các cáp ngầm và dưới biển bao gồm nhiều dây dẫn được tách biệt bởi cách điện, tạo ra điện dung ký sinh giữa chúng. Các cáp này không thể truyền tải điện cho đến khi được nạp đầy, và điện dung (và do đó dòng điện nạp) tăng theo chiều dài.Hệ thống AC liên tục nạp và xả các cáp (50-60 lần mỗi giây), làm tăng tổn thất I²R và hạn chế chiều dài cáp. Các cáp HVDC, tuy nhiên, chỉ nạp một lần (trong quá trình khởi động ban đầu hoặc chuyển mạch), loại bỏ các tổn thất này và giới hạn chiều dài.Điều này làm cho HVDC là lựa chọn ưu tiên cho truyền tải cáp ngoài khơi, dưới nước và ngầm.
8) Truyền Tải Song Cực
HVDC hỗ trợ các chế độ truyền tải linh hoạt, với truyền tải song cực là một lựa chọn phổ biến và tiết kiệm chi phí. Nó bao gồm hai dây dẫn song song với cực tính ngược nhau, điện áp của chúng cân bằng so với đất.Nếu một đường dây bị hỏng hoặc đứt, hệ thống sẽ chuyển sang chế độ đơn cực: đường dây còn lại tiếp tục cung cấp dòng điện, sử dụng đất làm đường hồi.
9) Điều Khiển Lưu Lượng Điện Chính Xác
Bộ chuyển đổi HVDC, dựa trên điện tử bán dẫn, cho phép điều khiển chính xác lưu lượng điện trong mạng AC. Khả năng chuyển mạch nhanh chóng (hoạt động nhiều lần mỗi chu kỳ) nâng cao hiệu suất hài, giảm dao động công suất và tối ưu hóa khả năng cung cấp điện của mạng.
10) Loại Bỏ Sớm Các Sự Cố
Dòng điện sự cố—dòng điện bất thường từ các sự cố điện—gây rủi ro đáng kể. Trong hệ thống HVAC, dòng điện sự cố cao có thể gây hư hại cho đường dây, trạm, máy phát và tải.HVDC giảm thiểu các rủi ro này: dòng điện sự cố thấp, hạn chế thiệt hại cho các đoạn cụ thể, và hoạt động chuyển mạch nhanh chóng đảm bảo phản ứng nhanh với sự cố, nâng cao khả năng phục hồi của hệ thống.
11) Kết Nối Mạng Không Đồng Bộ
HVDC cho phép kết nối các mạng AC không đồng bộ với các tham số khác nhau (ví dụ: tần số, pha).Các khu vực thường sử dụng các tần số khác nhau (ví dụ: 50 Hz ở châu Âu so với 60 Hz ở Mỹ), và các mạng có thể có sự khác biệt về pha, làm cho việc kết nối trực tiếp AC không thể. HVDC, hoạt động mà không có ràng buộc về tần số hoặc pha, dễ dàng kết nối các hệ thống độc lập này.
12) Hỗ Trợ Mạng Thông Minh
Mạng thông minh tích hợp các nhà máy phát điện quy mô nhỏ (năng lượng mặt trời, gió, hạt nhân) vào một mạng thống nhất với kiểm soát lưu lượng điện thông minh.Điều này khả thi với HVDC, hỗ trợ kết nối không đồng bộ của các đơn vị phát điện và cung cấp kiểm soát toàn diện đối với phân phối điện, phù hợp với yêu cầu của mạng thông minh.
13) Giảm nhiễu Tiếng Ồn
HVDC gây ra ít tiếng ồn nhiễu cho các đường dây truyền thông gần đó so với HVAC.HVAC tạo ra tiếng ồn nghe thấy, nhiễu radio và TV, với cường độ liên quan đến tần số. HVDC, với tần số bằng không, tạo ra tiếng ồn tối thiểu. Ngoài ra, tiếng ồn HVAC tăng trong thời tiết xấu, trong khi tiếng ồn HVDC giảm, đảm bảo hoạt động ổn định hơn.
