Hệ thống truyền tải điện cao thế 1 chiều HVDC (High Voltage Direct Current System) đã có những bước phát triển đáng chú ý do nhu cầu ngày càng tăng trong việc truyền tải điện lượng lớn ở điện áp cao hơn và trên khoảng cách xa hơn với việc giảm tổn thất điện năng, tốn ít đường đi nhất cũng như độ ổn định và kiểm soát tốt hơn trong hệ thống truyền tải.
HVDC là hệ thống truyền tải điện cao thế sử dụng điện 1 chiềuvới rất nhiều ưu điểm so với HVAC. HVDC là một công nghệ đã được chứng minh cho các dự án truyền tải kết nối các mạng không đồng bộ và tiết kiệm năng lượng.
Ngày nay, các công nghệ truyền tải trên mặt đất HVDC được sử dụng để truyền tải điện trên một khoảng cách xa bằng:
- Đường dây cáp điện trên không HVDC để mang công suất cao (> 1.000 MW) trên khoảng cách trên 200 km;
- Cáp ngầm HVDC để mang điện trung bình và cao (100 MW – 1.000 MW) trên khoảng cách trên 50 km.
Cách hệ thống tải điện HVDC hoạt động
Tại 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 1 chiều chạy trên các đường dây trên không và một lần nữa DC được chuyển đổi thành AC bằng cách sử dụng các bộ biến tần ở cuối đường dây. 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.
Các kiểu hệ thống HVDC
Có năm hệ thống cấu hình HVDC là Cấu hình HVDC Monopolar, Bipolar, Back-to-Back, Multiterminal & Tripolar.
1. HVDC đơn cực
Cấu hình hệ thống HVDC Monopolar chứa các đường truyền DC và hai trạm chuyển đổi. Nó chỉ sử dụng một dây dẫn và đường dẫn trở lại được cung cấp bởi mặt đất hoặc nước.
2. HVDC lưỡng cực
Cấu hình lưỡng cực của hệ thống truyền tải HVDC thể hiện sự kết nối song song của hệ thống truyền tải HVDC hai đơn cực. Nó sử dụng hai dây dẫn, một là dương và một là âm. Mỗi đầu cuối trong thiết bị đơn cực có điện áp danh định bằng nhau của hai bộ chuyển đổi được mắc nối tiếp ở phía DC và điểm nối giữa các bộ chuyển đổi được nối đất. Ở hai cực dòng điện bằng nhau và không có dòng điện chạm đất.
3. HVDC Back-to-Back
Cấu hình hệ thống HVDC giáp lưng bao gồm hai trạm chuyển đổi ở cùng một vị trí. Trong cấu hình này, cả bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu được kết nối trong vòng một chiều tại cùng một nơi và không có truyền tải một chiều trong cấu hình hệ thống truyền tải dòng điện một chiều điện áp cao nối tiếp nhau.
4. HVDC đa cấp
Cấu hình hệ thống HVDC đa danh nghĩa bao gồm đường truyền và hơn hai bộ chuyển đổi được kết nối song song hoặc nối tiếp. Trong cấu hình HVDC đa danh định này, công suất được truyền giữa hai hoặc nhiều trạm biến áp xoay chiều và có thể chuyển đổi tần số trong cấu hình này.
5. HVDC ba cực
Cấu hình hệ thống HVDC ba cực được sử dụng để truyền tải điện bằng Bộ chuyển đổi đa cấp mô-đun (MMC).
HVDC và HVAC
Các trạm chuyển đổi bắt buộc phải kết nối với hệ thống AC, điều này kéo theo chi phí đầu tư đáng kể. Thế hệ bộ chuyển đổi mới (VSC – Bộ chuyển đổi nguồn điện áp) sử dụng IGBT (Bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện) cho phép truyền công suất theo cả hai hướng mà không yêu cầu đảo cực. Điều này đã cho phép giới thiệu lại việc sử dụng cáp đùn trong truyền tải điện một chiều.
Hệ số chi phí cho cáp HVDC chỉ bằng 2 – 3 so với đường dây trên không HVDC có cùng công suất. Trước đây, cáp điện cho HVDC chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng dưới biển, hoặc kết nối các trang trại điện gió ngoài khơi với đất liền hoặc truyền tải điện trên khoảng cách xa qua biển mà các đường dây trên không không thể sử dụng. Hiện nay, cáp HVDC cũng đang được sử dụng cho các dự án truyền tải điện trên đất liền.
Hệ thống ngầm hóa HVDC có thể vận chuyển một cách an toàn các tải công suất cao trên một khoảng cách xa với tổn thất tối thiểu. Trên toàn cầu, các dự án hệ thống cáp ngầm HVDC đường dài đã được thực hiện, một số đang trong quá trình thực hiện và nhiều dự án khác có thể được lên kế hoạch cho tương lai gần.Triển vọng của công nghệ HVDC
| HVDC | HVAC |
| Dạng tiêu chuẩn của HVDC là “Dòng điện một chiều điện áp cao” | Dạng tiêu chuẩn của HVAC là “Dòng điện xoay chiều cao thế” |
| Điện truyền tải là điện một chiều | Điện truyền tải trong HVAC là điện xoay chiều |
| Chi phí truyền tải thấp | Chi phí truyền tải cao |
| Chi phí của thiết bị trong dòng điện một chiều điện áp cao là cao | Chi phí của thiết bị trong dòng điện thay thế điện áp cao thấp |
| Ở điện áp cao, nguồn điện một chiều có thể được kiểm soát | Ở điện áp cao, không thể điều khiển nguồn điện thay thế |
| Truyền trong HVDC là hai chiều | Truyền trong HVAC là một chiều |
| Tổn thất corona ít hơn | Các tổn thất corona nhiều hơn |
| Hiệu ứng bề mặt ít hơn | Hiệu ứng bề mặt nhiều hơn |
| Tổn thất vỏ bọc ít hơn | Tổn thất vỏ bọc nhiều hơn |
| Điều chỉnh điện áp và khả năng điều khiển tốt hơn | Có khả năng điều chỉnh và điều khiển điện áp thấp t |
| Nhu cầu cách nhiệt trong | Nhu cầu cách nhiệt nhiều hơn |
| Độ tin cậy cao hơn | Độ tin cậy thấp hơn |
| Có khả năng kết nối không đồng bộ trong dòng điện một chiều điện áp cao | Không có khả năng kết nối không đồng bộ trong dòng điện thay thế điện áp cao |
| Chi phí đường dây HVDC thấp | Chi phí đường dây cao |
| Giá thành của tháp không đắt và kích thước của tháp không lớn | Trong HVAC, kích thước của các tháp lớn |
Ưu điểm của truyền tải điện HVDC
- Có thể mang nhiều điện hơn HVAC cho cùng một kích thước dây dẫn nhất định
- Cả đường dây trên không và cáp ngầm đều có thể truyền tải điện năng mà không bị giới hạn khoảng cách.
- Ổn định tốt hơn và kiểm soát rất nhanh công suất trong hệ thống truyền tải
- Hướng của dòng điện có thể được thay đổi rất nhanh chóng (hai hướng).
- Nhu cầu về hành lang lưới điện (Right Of Way) đối với HVDC nhỏ hơn nhiều so với HVAC, cho cùng một công suất truyền tải.
- Tác động môi trường được giảm bớt ở HVDC.
- Công nghệ VSC cho phép điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng một cách độc lập mà không cần đến thiết bị bù phụ.
- Công nghệ VSC mang lại cơ hội tốt để các nguồn năng lượng thay thế có hiệu quả kinh tế và kỹ thuật.
- Các đường truyền HVDC có độ sẵn sàng và độ tin cậy cao.
Lịch sử cáp điện HVDC
Đường dây tải điện HVDC đầu tiên trên thế giới bắt đầu vào năm 1954 nối đất liền Thụy Điển và Đảo ‘Gotland’. Trong thời kỳ này, cáp được ngâm tẩm khối lượng lớn (MI) (giấy cách điện được tẩm dầu cách điện có độ nhớt cao) được sử dụng cho điện áp trung bình trong khi cáp chứa dầu (OF) (sử dụng giấy cách điện được tẩm dầu cách điện có độ nhớt thấp và được giữ trong điều kiện có áp suất) được sử dụng cho các ứng dụng điện áp cao hơn và công suất lớn hơn. Kể từ đó, cáp MI và OF đã trở thành xu hướng chủ đạo của cáp truyền tải điện DC.
Vào năm 1999, cáp đùn XLPE được thiết kế để hoạt động ở 80 kV đã được sử dụng ở Gotland. Ở đây, Bộ chuyển đổi nguồn điện áp (VSC) đã được sử dụng như một bộ chuyển đổi AC-DC. Vì vậy, các loại cáp cách điện bằng polyme nhẹ hơn, dễ xử lý hơn và cũng có khả năng nối dễ dàng hơn so với Cáp cách điện bằng giấy.
Với cáp cách điện XLPE, nhiệt độ ruột dẫn cao hơn có thể được sử dụng và điều này cho phép sử dụng kích thước cáp nhỏ hơn với kết cấu nhỏ gọn hơn. Các chất phụ gia thường được sử dụng cho cáp HVAC như chất chống oxy hóa, chất liên kết ngang, phụ gia bôi trơn, những phụ gia được sử dụng để tăng mật độ liên kết ngang và phụ gia chống cháy xém có thể được sử dụng chọn lọc trong nhiều cách kết hợp khác nhau để sản xuất Cách điện XLPE cho cáp HVDC.
Hiện tại, cáp HVDC dựa trên cách điện XLPE được thiết kế để hoạt động ở 320 kV và khoảng 1000 MW. Một dây dẫn bằng nhôm hoặc đồng được phủ một lớp bán dẫn mỏng để có bề mặt nhẵn với lớp cách điện sau. Một lớp bán dẫn thứ hai phủ lớp cách điện.
Tùy thuộc vào ứng dụng và thiết kế các lớp khác được thêm vào cáp. Để bọc ngoài trong trường hợp cáp bị hư hỏng, băng giấy nở sẽ hút nước và nở ra, chặn nước di chuyển dọc theo trục của cáp. Các dây màn hình được nối đất. Nhôm laminate cung cấp một chất phân tán khuếch tán chống lại các chất lạ, đặc biệt là độ ẩm.
Và cuối cùng là áo khoác sheath che phủ tất cả các lớp. Một vỏ bọc chì ép đùn làm màng chắn nước và các dây dẫn cung cấp khả năng bảo vệ cơ học cho cáp.
Một số nhà sản xuất cáp HVDC hàng đầu là ABB- Thụy Điển; Prysmian Cables- Nexans, Pháp, Đức, Na Uy; J-Power- Nhật Bản; LS Cable- Hàn Quốc; Cáp Europa- Brussels; Brugg Cables- Thụy Sĩ và nhiều nhà sản xuất khác.
- 1984 ~ 1989: Nghiên cứu cơ bản về vật liệu cách điện DC;
- 2007 ~ 2010: Thành lập công nghệ sản xuất cáp DC-XLPE thực tế;
- 2005 ~ 2006: Xác minh về độ dài đùn DC-XLPE….
- 1988 ~ 1995: Phát triển cáp DC 250kV và liên doanh nhà máy;
- 1993 ~ 2001: Phát triển cáp DC 500kV và liên doanh nhà máy.
Sản xuất cáp điện HVDC gặp khó khăn gì?
Việc thiết kế cách điện cho cáp đùn HVDC là một trong những vấn đề khó khăn nhất, chủ yếu là do sự phụ thuộc của các đặc tính điện môi của nó vào nhiệt độ, biến dạng điện trường do tích tụ điện tích trong lớp cách điện. Điện tích không gian xảy ra bất cứ khi nào tốc độ tích tụ điện tích khác với tốc độ loại bỏ điện tích, và có thể phát sinh do các điện tử và ion.
Điện tích không gian xuất hiện do các hạt mang điện tích được bơm vào tại các điện cực, cho dù là điện tích di động hay điện tích bị giữ lại (đã có trong phần lớn lớp cách điện của cáp) do ba quá trình trong chất điện môi dưới điện trường, đó là:
- sự thay đổi độ dẫn điện,
- sự ion hóa của các loài trong chất điện môi và sự nhiễm điện từ các điện cực được điều khiển bởi trường một chiều không nhỏ hơn xấp xỉ 10 kV / mm và phân cực trong các cấu trúc như cây nước.
Các điện tích không gian cũng được hình thành do sự hiện diện của các chất phụ gia phân ly ion, các tạp chất, sai lệch và các khuyết tật hóa học hoặc vật lý.
Do đó, việc phát triển một loại vật liệu cách điện không tích điện có đặc tính điện môi tốt đã trở thành một thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới.
