Các Khác biệt Giữa HVAC và HVDC trong Truyền tải Điện

Sự Khác Biệt Giữa HVAC và HVDC

Điện được sản xuất tại các nhà máy điện được truyền qua khoảng cách xa đến các trạm biến áp, sau đó phân phối cho người tiêu dùng. Điện áp được sử dụng để truyền tải điện qua khoảng cách xa cực kỳ cao, và chúng ta sẽ khám phá lý do cho điện áp cao này sau. Ngoài ra, điện được truyền có thể ở dạng dòng xoay chiều (AC) hoặc dòng một chiều (DC). Do đó, điện có thể được truyền bằng HVAC (High Voltage Alternating Current) hoặc HVDC (High Voltage Direct Current).

Tại Sao Điện Áp Cao Lại Cần Thiết Cho Việc Truyền Tải?

Điện áp đóng vai trò quan trọng trong việc giảm tổn thất đường dây, còn được gọi là tổn thất truyền tải. Mỗi dây dẫn điện được sử dụng để truyền tải điện đều có một lượng kháng ohm (R) nhất định. Khi dòng điện (I) chảy qua các dây dẫn này, chúng tạo ra năng lượng nhiệt, đây thực chất là năng lượng bị lãng phí hoặc công suất (P).

Theo Định luật Ohm

Như có thể thấy, năng lượng bị lãng phí trong dây dẫn trong quá trình truyền tải phụ thuộc vào dòng điện chứ không phải điện áp. Tuy nhiên, chúng ta có thể điều chỉnh cường độ dòng điện thông qua việc chuyển đổi điện áp bằng thiết bị chuyên dụng.

Trong quá trình chuyển đổi điện áp, công suất vẫn được bảo toàn và không thay đổi. Điện áp và dòng điện chỉ thay đổi ngược lại theo cùng một hệ số, tuân theo nguyên tắc:

Ví dụ, 11KW công suất ở điện áp 220v có 50 Amps. Trong trường hợp này, tổn thất đường dây sẽ là

Hãy tăng điện áp lên 10 lần. Vì vậy, cùng công suất 11KW sẽ có điện áp 2200v & 5 Amps. Bây giờ, tổn thất đường dây sẽ là;

Như bạn có thể thấy, việc tăng điện áp làm giảm đáng kể tổn thất công suất trong đường dây truyền tải. Vì vậy, để giảm dòng điện trong cáp truyền tải trong khi vẫn duy trì cùng một lượng công suất truyền tải, chúng ta tăng điện áp.

Cuộc Chiến Dòng Điện (AC vs. DC)

Vào cuối những năm 1880, trong cuộc chiến được gọi là "Cuộc Chiến Dòng Điện", dòng một chiều (DC) là loại đầu tiên được triển khai để truyền tải điện. Tuy nhiên, nó được coi là rất kém hiệu quả do thiếu thiết bị chuyển đổi điện áp thực tế - khác với dòng xoay chiều (AC), có thể dễ dàng tăng hoặc giảm bằng cách sử dụng biến áp. Các trạm điện DC điện áp thấp ban đầu chỉ có thể cung cấp điện trong bán kính vài dặm; vượt quá đó, điện áp giảm mạnh, đòi hỏi nhiều trạm phát điện trong khu vực nhỏ - một phương pháp đắt đỏ.

Trong khi truyền tải DC điện áp cao tự nhiên có ít tổn thất hơn AC, các hệ thống DC sớm sử dụng van hồ quang thủy ngân (rectifiers) để chuyển đổi AC điện áp cao thành DC cho việc truyền tải xa. Những thiết bị cuối này cồng kềnh, đắt tiền và cần bảo dưỡng thường xuyên. Ngược lại, truyền tải AC dựa trên biến áp - hiệu quả, giá cả phải chăng và đáng tin cậy hơn - khiến AC trở thành lựa chọn ưu tiên cho việc truyền tải điện xa thời điểm đó.

Khi lựa chọn giữa AC điện áp cao (HVAC) và DC điện áp cao (HVDC) cho việc truyền tải, một số yếu tố quan trọng cần được xem xét. Bài viết này sẽ khám phá chi tiết các yếu tố này.

HVAC & HVDC

HVAC (High Voltage Alternating Current) và HVDC (High Voltage Direct Current) đề cập đến phạm vi điện áp được sử dụng cho việc truyền tải điện xa. HVDC thường được ưa chuộng cho khoảng cách siêu xa (thường hơn 600 km), mặc dù cả hai hệ thống đều được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới ngày nay, mỗi hệ thống có ưu điểm và nhược điểm riêng.

Chi Phí Truyền Tải

Việc truyền tải điện qua khoảng cách xa yêu cầu điện áp cao, với điện năng được chuyển giữa các trạm cuối cùng xử lý việc chuyển đổi điện áp. Tổng chi phí truyền tải do đó phụ thuộc vào hai thành phần: chi phí trạm cuối và chi phí đường dây truyền tải.

• Trạm Cuối
  Các trạm cuối chuyển đổi mức điện áp cho việc truyền tải. Đối với hệ thống AC, điều này chủ yếu được thực hiện bằng cách sử dụng biến áp, chuyển đổi giữa điện áp cao và thấp. Đối với hệ thống DC, các trạm cuối sử dụng bộ chuyển đổi dựa trên thyristor hoặc IGBT để điều chỉnh mức điện áp DC.

  Do biến áp đáng tin cậy và rẻ hơn so với bộ chuyển đổi bán dẫn, các trạm cuối AC ít tốn kém hơn so với các trạm cuối DC, khiến việc chuyển đổi điện áp AC trở nên kinh tế hơn.

• Đường Dây Truyền Tải
  Chi phí đường dây phụ thuộc vào số lượng dây dẫn và thiết kế của các cột truyền tải. Hệ thống HVDC chỉ cần hai dây dẫn, trong khi hệ thống HVAC cần ba hoặc nhiều hơn (bao gồm dây dẫn kết hợp để giảm thiểu hiệu ứng corona).

  Các cột truyền tải AC phải chịu tải cơ học nặng nề hơn, đòi hỏi cấu trúc chắc chắn, cao và rộng hơn so với các cột truyền tải HVDC. Chi phí đường dây tăng theo khoảng cách, và mỗi 100 km, các đường dây HVAC đắt hơn nhiều so với các đường dây HVDC.

• Tổng Chi Phí Truyền Tải
  Tổng chi phí được xác định bởi chi phí trạm (cố định, độc lập với khoảng cách) và chi phí đường dây (biến đổi, tăng theo khoảng cách). Do đó, tổng chi phí của hệ thống truyền tải tăng khi khoảng cách tăng.

Khoảng Cách Đảm Bảo

"Khoảng cách đảm bảo" đề cập đến chiều dài truyền tải vượt quá đó, tổng chi phí đầu tư của HVAC vượt quá chi phí của HVDC. Khoảng cách này khoảng 400–500 dặm (600–800 km). Đối với khoảng cách vượt quá ngưỡng này, HVDC là lựa chọn kinh tế hơn; đối với khoảng cách ngắn hơn, HVAC là lựa chọn kinh tế hơn. Mối quan hệ này được minh họa trực quan trong biểu đồ phía trên.

Độ Linh Hoạt

HVDC thường được sử dụng cho việc truyền tải xa điểm đến điểm, vì việc lấy điện ở các điểm trung gian sẽ yêu cầu bộ chuyển đổi đắt tiền để giảm điện áp DC cao. Ngược lại, HVAC cung cấp tính linh hoạt lớn hơn: nhiều trạm cuối có thể sử dụng biến áp giá rẻ để giảm điện áp cao, cho phép lấy điện ở nhiều điểm dọc theo đường dây.

Tổn Thất Công Suất

Truyền tải HVAC gây ra nhiều loại tổn thất, bao gồm tổn thất corona, tổn thất hiệu ứng da, tổn thất bức xạ và tổn thất cảm ứng, hầu hết đều vắng mặt hoặc tối thiểu hóa trong hệ thống HVDC:

• Tổn Thất Corona: Khi điện áp vượt quá ngưỡng critical, không khí xung quanh dây dẫn ion hóa, tạo ra tia lửa (corona discharge) làm lãng phí năng lượng. Các tổn thất này phụ thuộc vào tần số - do DC có tần số bằng không, tổn thất corona của HVAC khoảng ba lần cao hơn so với HVDC.

• Hiệu Ứng Da: Trong truyền tải AC, mật độ dòng điện cao nhất ở bề mặt dây dẫn và thấp nhất ở lõi (hiệu ứng da), giảm diện tích mặt cắt ngang hiệu dụng được sử dụng cho dòng điện. Điều này làm tăng điện trở dây dẫn và làm tăng tổn thất I²R. Dòng DC, ngược lại, phân bố đồng đều trên dây dẫn, loại bỏ hiệu ứng này.

• Tổn Thất Bức Xạ và Cảm Ứng: Trường từ xoay chiều của HVAC khiến các đường dây truyền tải dài hoạt động như ăng ten (phát ra năng lượng không thể thu hồi) và gây ra dòng điện cảm ứng trong các dây dẫn gần đó (tổn thất cảm ứng). Trường từ ổn định của HVDC tránh được cả hai vấn đề này.

Hiệu Ứng Da

Hiệu ứng da, tỷ lệ thuận với tần số, buộc hầu hết dòng AC phải chảy gần bề mặt dây dẫn, để lõi không được sử dụng. Điều này làm giảm hiệu quả của dây dẫn: để mang dòng điện lớn hơn, các hệ thống HVAC cần dây dẫn có diện tích mặt cắt ngang lớn hơn, đẩy giá thành vật liệu lên. HVDC, không bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng da, sử dụng dây dẫn hiệu quả hơn.

Vì vậy, để mang cùng một dòng điện, HVAC yêu cầu dây dẫn có đường kính lớn hơn, trong khi HVDC có thể đạt được điều này với dây dẫn có đường kính nhỏ hơn.

Đánh Giá Dòng Điện và Điện Áp Cáp

Cáp có điện áp và dòng điện tối đa được đánh giá. Đối với AC, điện áp và dòng điện đỉnh khoảng 1,4 lần cao hơn giá trị trung bình (đối ứng với công suất thực tế hoặc giá trị DC tương đương). Ngược lại, các hệ thống DC có giá trị đỉnh và trung bình giống nhau.

Tuy nhiên, dây dẫn HVAC phải được đánh giá cho dòng điện và điện áp đỉnh, lãng phí khoảng 30% dung lượng của chúng. Ngược lại, HVDC sử dụng toàn bộ dung lượng của dây dẫn, nghĩa là dây dẫn cùng kích thước có thể truyền tải nhiều công suất hơn trong hệ thống HVDC.

Quyền Sử Dụng Đường

"Quyền sử dụng đường" đề cập đến hành lang đất cần thiết cho cơ sở hạ tầng truyền tải. Hệ thống HVDC có quyền sử dụng đường hẹp hơn do cột nhỏ hơn và ít dây dẫn hơn (hai cho DC so với ba cho AC ba pha). Ngoài ra, cách điện AC trên cột phải được đánh giá cho điện áp đỉnh, làm tăng diện tích chiếm dụng của chúng.

Hành lang hẹp hơn này giảm chi phí vật liệu, xây dựng và đất, khiến HVDC vượt trội về hiệu quả quyền sử dụng đường.

Truyền Tải Điện Dưới Biển

Cáp dưới biển được sử dụng cho việc truyền tải điện ngoại vi có điện dung rò rỉ giữa các dây dẫn song song. Điện dung phản ứng với sự thay đổi điện áp - liên tục trong AC (50-60 chu kỳ mỗi giây) nhưng chỉ xảy ra trong quá trình chuyển mạch trong DC.

Cáp AC liên tục sạc và xả, gây ra tổn thất công suất đáng kể trước khi đưa điện đến đầu nhận. Cáp HVDC, chỉ được sạc một lần, loại bỏ các tổn thất này. Để biết thêm chi tiết, hãy tham khảo nội dung về xây dựng, đặc tính, đặt và nối cáp dưới biển.

Khả Năng Kiểm Soát Dòng Điện

Các hệ thống HVAC thiếu kiểm soát chính xác đối với dòng điện, trong khi các đường dây HVDC sử dụng bộ chuyển đổi bán dẫn dựa trên IGBT. Các bộ chuyển đổi phức tạp này, có thể chuyển mạch nhiều lần mỗi chu kỳ, tối ưu hóa phân phối công suất trong hệ thống, cải thiện hiệu suất hài và cho phép bảo vệ và giải phóng lỗi nhanh chóng - những ưu điểm mà HVAC không thể sánh kịp.

Liên Kết Các Hệ Thống Không Đồng Bộ và Mạng Điện Thông Minh

Mạng điện thông minh cho phép nhiều trạm phát điện cung cấp vào mạng thống nhất, tận dụng các lưới điện nhỏ để tạo ra công suất lớn. Tuy nhiên, việc kết nối nhiều lưới điện AC không đồng bộ (với tần số hoặc pha khác nhau) là rất khó khăn.

Liên Kết Các Hệ Thống Không Đồng Bộ

Các lưới điện trên toàn thế giới hoạt động ở các tần số khác nhau - một số ở 50 Hz, một số ở 60 Hz. Ngay cả các lưới điện có cùng tần số cũng có thể không đồng pha. Chúng được phân loại là "hệ thống không đồng bộ" và không thể kết nối thông qua các đường dây AC tiêu chuẩn.

Tuy nhiên, DC không bị ảnh hưởng bởi tần số hoặc pha. Các liên kết HVDC giải quyết vấn đề này bằng cách chuyển đổi AC thành DC không phụ thuộc vào tần số và pha, cho phép tích hợp liền mạch các lưới điện không đồng bộ. Tại đầu nhận, bộ nghịch đảo HVDC chuyển đổi DC trở lại AC với tần số yêu cầu, tạo điều kiện cho việc truyền tải điện thống nhất.

Công Tắc Hợp Phân

Công tắc hợp phân là thiết bị quan trọng trong truyền tải điện áp cao, chịu trách nhiệm ngắt mạch trong trường hợp lỗi hoặc bảo trì. Yêu cầu quan trọng là khả năng dập hồ quang để ngắt dòng điện.

• Công Tắc Hợp Phân HVAC: Dòng AC liên tục đảo chiều, tạo ra các thời điểm dòng điện bằng không tự nhiên (50-60 lần mỗi giây) tự động dập hồ quang. Đặc điểm "tự dập" này đơn giản hóa thiết kế công tắc HVAC, khiến chúng tương đối đơn giản và tiết kiệm chi phí.

• Công Tắc Hợp Phân HVDC: Dòng DC một chiều, không có điểm giao nhau tự nhiên. Để dập hồ quang, cần phải tạo ra các điểm dòng điện bằng không nhân tạo. Sự phức tạp này khiến công tắc HVDC phức tạp và đắt đỏ hơn so với các công tắc AC.

Sự Tạo Ra Sóng Can Nhiễm

Dòng xoay chiều của AC tạo ra trường từ luôn thay đổi, có thể gây ra can nhiễu trong các đường dây truyền thông gần đó. Ngược lại, trường từ ổn định của DC loại bỏ sự can nhiễu này, đảm bảo không có sự gián đoạn đáng kể đến các hệ thống truyền thông bên cạnh.