Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng hệ thống truyền tải điện một chiều hvdc nhằm nâng cao khả năng truyền tải điện năng có xét đến sự phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN VIẾT TRỊ C C R L T. NÂNG CAO KHẢ NĂNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG BẰNG HỆ THỐNG HDVC CÓ XÉT ĐẾN SỰ PHÁT TRIỂN DU CỦA CÁC NGUỒN NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO TRONG TƢƠNG LAI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Đà Nẵng, năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN VIẾT TRỊ C C NÂNG CAO KHẢ NĂNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG BẰNG HỆ THỐNG HDVC CÓ XÉT ĐẾN SỰ PHÁT TRIỂN R L T. CỦA CÁC NGUỒN NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO TRONG TƢƠNG LAI DU Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. DƢƠNG MINH QUÂN Đà Nẵng, năm 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, dưới sự hướng dẫn của TS. Dương Minh Quân. Các tài liệu, số liệu liên quan đã được công bố trước đây của ngành điện của Việt Nam và một số tổ chức khoa học trên thế giới về hệ thống năng lượng tái tạo và truyền tải điện một chiều HVDC đều được trích dẫn nguồn cụ thể. Kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn C C DU R L T. Nguyễn Viết Trị ii NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN MỘT CHIỀU HVDC NHẰM NÂNG CAO KHẢ NĂNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG CÓ XÉT ĐẾN SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC NGUỒN NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO Học viên: Nguyễn Viết Trị Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8520201 Khóa: K37.KTĐ.KT. Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt: Nhiều nghiên cứu về việc nâng cấp hệ thống điện với mục tiêu chất lượng điện năng và giảm sự tổn hao trên hệ thống đã được tiến hành và ứng dụng vào thực tế. Trong đó, truyền tải năng lượng một chiều HVDC ngày càng được chú trọng nghiên cứu cho việc cung cấp năng lượng với công suất truyền tải lớn, khoảng cách xa, và đặc biệt phù hợp ứng dụng với các hệ thống điện có sự xâm nhập ngày càng sâu của năng lượng tái tạo. Số lượng các dự án HVDC (high voltage direct current) trên toàn cầu đang dần tăng lên trong những năm gần đây phản ánh sự quan tâm đúng mức về công nghệ này. Với quy mô phát triển của hệ thống điện Việt Nam, quá trình nâng cấp hệ thống điện và ứng dụng các công nghệ mới vào truyền tải điện năng đang dần nóng lên trong bối cảnh năng lượng gió và mặt trời kết nối vào lưới ngày một nhiều và hệ thống truyền tải HVAC hiện nay khó có khả năng đáp ứng được. Hơn nữa, khu vực Miền Trung – Tây Nguyên là cầu nối cho 2 Miền Bắc - Nam hệ thống truyền tải lại càng mang tính chất trọng điểm và phải mang lượng điện năng truyền tải rất lớn. Điều này làm cho hệ thống lưới truyền tải xuống cấp và cần được bảo dưỡng, thay thế. Đề tài tiến hành ứng dụng mô phỏng một hệ thống truyền tải HVDC cho một lưới điện truyền tải thực tế. Từ đó cho thấy các lợi ích mà hệ thống này mang lại, tạo một cơ sở tham khảo cho các dự án thực tế. Từ khóa: HVDC; HVAC; Năng lượng tái tạo; truyền tải; VSC. C C R L T. DU APPLICATION OF HIGH-VOLTAGE DIRECT CURRENT (HVDC) TO IMPROVE ENERGY TRANSMISSION EFFICIENCY CONSIDERING THE DEVELOPMENT OF RENEWABLE ENERGY Abstract: Many studies on upgrading the electrical system with the aim of power quality and reducing the loss on the system have been conducted and applied in practice. In particular, HVDC transmission system has been increasingly researched for providing power with large transmission power, longdistance, and especially suitable for applications with power systems with increasing penetration of renewable energy. The number of HVDC projects in the world have increased in recent years, reflecting the proper interest in this technology. With the scale of development of Vietnam electricity system, the process of upgrading the power system, and applying new technologies to power transmission is gradually heating up in the context of wind and solar energy connected to the grid, and HVAC transmission systems are currently difficult to meet. Moreover, the Central Region - Central Highlands is a bridge for the North and South of the transmission system, which is even more important and must carry a large amount of power transmission. This causes the transmission grid system to be degraded and need maintenance and replacement. The project conducts simulation of the HVDC transmission system for an actual transmission grid. From there, showing the benefits that this system brings, creating a reference base for real projects. Keywords: HVDC; HVAC; Renewable Energy; Transmission; VSC iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................... i TÓM TẮT ..................................................................................................................... ii MỤC LỤC .................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, THUẬT NGỮ .............................................. vi DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH.......................................................................................... viii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Đặt vấn đề .............................................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.........................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................................2 5. Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài ..............................................................2 6. Cấu trúc của luận văn ............................................................................................3 C C R L T. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO VÀ HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN MỘT CHIỀU HVDC ................................................................4 DU 1.1. Thực trạng và sự phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo .................................4 1.1.1. Tổng quan về năng lượng tái tạo.....................................................................4 1.1.2. Tình hình phát triển năng lượng tái tạo trong những năm gần đây ................4 1.2. Tổng quan về lưới điện thông minh ứng dụng hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC ....................................................................................................................7 1.2.1. Lưới điện thông minh - Smart grid .................................................................8 1.2.2. Microgrid ........................................................................................................9 1.3. Sơ lược hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC ...............................................10 1.3.1. Định nghĩa hệ thống HVDC..........................................................................10 1.3.2. Tình hình phát triển HVDC ..........................................................................11 1.3.3. Triển vọng phát triển HVDC ........................................................................12 1.3.4. Vai trò của HVDC trong phát triển năng lượng tái tạo .................................12 1.3.5. Nguyên lý hoạt động của HVDC ..................................................................13 1.3.6. Ứng dụng hệ thống HVDC ...........................................................................14 1.4. Cấu tạo của hệ thống HVDC và các phần tử chính ................................................15 1.5. Các bộ chuyển đổi cơ bản trong hệ thống HVDC ..................................................19 1.5.1. LCC ...............................................................................................................19 1.5.2. VSC ...............................................................................................................20 1.5.3. So sánh LCC-HVDC và VSC-HVDC ..........................................................20 iv 1.6. Kết luận...................................................................................................................21 CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ CHUYỂN ĐỔI VSC TRONG HỆ THỐNG HVDC .....................................................................................23 2.1. Ứng dụng của bộ chuyển đổi VSC trong hệ thống HVDC ....................................23 2.2. Các phương pháp chuyển hệ tọa độ ........................................................................24 2.3. Điều khiển VSC trong hệ tọa độ dq .......................................................................25 2.3.1. Cấu trúc của hệ thống VSC ...........................................................................25 2.3.2. Chế độ dòng điện và điều khiển chế độ điện áp ...........................................26 2.3.3. Mô hình động của bộ điều khiển công suất ..................................................28 2.3.4. Vòng lặp khóa pha ........................................................................................29 2.3.5. Bộ điều khiển công suất tác dụng/phản kháng bằng chế độ điều khiển dòng điện .......................................................................................................................30 2.3.6. Điều khiển dòng điện VSC ...........................................................................31 C C 2.3.7. Điện áp DC-Bus ............................................................................................33 2.4. Kết luận...................................................................................................................34 R L T. CHƢƠNG 3. HIỆN TRẠNG LƢỚI ĐIỆN KHU VỰC KON TUM – GIA LAI, LỰA CHỌN KHU VỰC ỨNG DỤNG HỆ THỐNG HVDC. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ETAP .............................................................................35 3.1. Hiện trạng lưới điện khu vực Kon Tum – Gia Lai .................................................35 3.1.1. Hiện trạng lưới điện ......................................................................................35 DU 3.1.2. Quy hoạch các dự án năng lượng tái tạo trong khu vực lưới điện ................38 3.2. Lựa chọn khu vực ứng dụng hệ thống HVDC........................................................39 3.3. Giới thiệu phần mềm mô phỏng ETAP ..................................................................40 3.3.1. Các khả năng tính toán của phần mềm ETAP ..............................................40 3.3.2 Các phần tử ....................................................................................................43 3.3.3. Mô phỏng HVDC trong ETAP .....................................................................50 3.4. Kết luận...................................................................................................................52 CHƢƠNG 4. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM XÂY DỰNG MÔ HÌNH LƢỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI TÍCH HỢP HỆ THỐNG HVDC ......................................................53 4.1. Xây dựng mô hình hệ thống ...................................................................................53 4.1.1. Xây dựng mô hình trong phần ETAP ...........................................................53 4.1.2. Các trường hợp mô phỏng ............................................................................55 4.2. Kết quả mô phỏng...................................................................................................56 4.2.1. Mô phỏng trào lưu công suất chế độ cực đại ................................................56 4.2.2. Mô phỏng trào lưu công suất chế độ cực tiểu ...............................................61 4.2.3. Tính toán ngắn mạch .....................................................................................67 v 4.3. Phân tích, đánh giá kết quả .....................................................................................68 4.3.1. Trào lưu công suất .........................................................................................68 4.3.2. Tính toán ngắn mạch .....................................................................................71 4.4. Kết luận...................................................................................................................72 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................73 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) C C DU R L T. vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, THUẬT NGỮ Từ viết tắt / Giải thích nghĩa Thuật ngữ HVDC Truyền tải một chiều điện áp cao HVAC Truyền tải xoay chiều điện áp cao SG Lưới điện thông minh IEA Chi phí gia công, lắp dựng giá đỡ dàn pin mặt trời LCOE Chi phí bình quân toàn cầu về điện năng khả dụng PV Pin quang điện NLTT Năng lượng tái tạo DG Nguồn phân tán LCC Bộ biến đổi nguồn dòng Thyristor VSC Bộ biến đổi nguồn áp C C R L T. Dòng điện một chiều DC Dòng điện xoay chiều AC PWM PCC DU Phương pháp điều rộng xung Điểm kết nối chung vii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 3.1. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. 4.7. 4.8. 4.9. 4.10. 4.11. 4.12. 4.13. 4.14. 4.15. Tên bảng Trang Hiện trạng tổn thất trên dường dây truyền tải tháng 06/2019 Thông số đường dây khu vực lưới điện Kon Tum – Gia Lai Công suất truyền tải trên các đường dây khi sử dụng HVAC trong chế độ cực đại Điện áp tại các thanh cái khi sử dụng HVAC trong chế độ cực đại Tổn thất công suất và điện áp trong lưới khi sử dụng HVAC trong chế độ cực đại Công suất truyền tải trên các đường dây khi sử dụng HVDC trong chế độ cực đại Điện áp tại các thanh cái khi sử dụng HVDC trong chế độ cực đại Tổn thất công suất và điện áp trong lưới khi sử dụng HVDC trong chế độ cực đại Công suất truyền tải trên các đường dây khi sử dụng HVAC trong chế độ cực tiểu Điện áp tại các thanh cái khi sử dụng HVAC trong chế độ cực tiểu Tổn thất công suất và điện áp trong lưới khi sử dụng HVAC trong chế độ cực tiểu Công suất truyền tải trên các đường dây khi sử dụng HVDC trong chế độ cực tiểu Điện áp tại các thanh cái khi sử dụng HVDC trong chế độ cực tiểu Tổn thất công suất và điện áp trong lưới khi không sử dụng HVDC trong chế độ cực tiểu So sánh tổn thất công suất và điện áp rơi trong chế độ cực đại So sánh tổn thất công suất và điện áp rơi trong chế độ cực tiểu 36 53 C C DU R L T. 57 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 66 69 70 viii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. 1.9. 1.10. 1.11. 1.12. 1.13. 1.14. 1.15. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 2.9. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. Tên hình Trang Tình tình phát triển năng lượng tái tạo năm 2018 Hiện trạng năng lượng tái tạo trên thế giới phân chia theo khu vực Mô hình lưới điện sử dụng HVDC Chức năng của SG Cấu hình hệ thống Microgrid và các chức năng chính Sơ đồ nguyên lí của hệ thống truyền tải HVDC Sơ đồ hệ thống HVDC lưỡng cực Cấu trúc bộ biến đổi 12 xung Hình ảnh một module Thyristor Bộ lọc xoay chiều Bộ lọc DC Cuộn kháng san bằng Nguồn công suất phản kháng tụ điện Cấu trúc LCC – HVDC và VSC - HVDC So sánh LLC và VSC Cấu trúc cơ bản của VSC-HVDC Dạng sóng của phép biến đổi Clarke. Giản đồ vector chuyển hệ tọa độ αβ sang hệ tọa độ dq và ngược lại. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống VSC tần số đặt lưới Sơ đồ của bộ điều khiển công suất tác dụng/công suất phản kháng bằng chế độ điều khiển điện áp Sơ đồ điều khiển công suất tác dụng / phản kháng bằng điều khiển chế độ dòng điện. Sơ đồ khối điều khiển của PLL Sơ đồ sơ lược của PLL Sơ đồ khối hệ thống điều khiển dòng điện của VSC. Sơ đồ lưới điện truyền tải khu vực Kon Tum – Gia Lai Giao diện chính của Etap Các chức năng tính toán Các phần tử AC Các thiết bị đo lường, bảo vệ 5 C C DU R L T. 6 8 9 10 14 15 15 16 16 17 17 18 20 21 23 24 25 25 26 27 30 30 32 35 40 41 41 42 ix Số hiệu hình 3.6. 3.7. 3.8. 3.9. 3.10. 3.11. 3.12. 3.13. 3.14. 3.15. 3.16. 3.17. 3.18. 3.19. 3.20. 3.21. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. 4.7. 4.8. 4.9. 4.10. 4.11. Tên hình Trang Thư viện cáp lực Trang info của nguồn. Trang Rating của nguồn. Trang Energy Price của máy phát. Trang info của Bus. Trang info của đường dây. Trang impedance của đường dây. Trang Info của máy biến áp. Trang Rating của máy biến áp. Trang Tap của máy biến áp. Chỉnh đầu phân áp máy biến áp. Trang Grounding của máy biến áp. Trang Info của tải. Trang Nameplate của tải. Trang info của HDVC Trang Rating của HDVC Thông số nguồn phát trong lưới điện Sơ đồ lưới điện mô phỏng trong ETAP Cài đặt thông số mô phỏng trào lưu công suất trong Edit Study Case Study Case trong trường hợp mô phỏng ngắn mạch Kết quả trào lưu công suất khi sử dụng HVAC trong chế độ cực đại Trào lưu công suất trường hợp sử dụng HVDC trong chế độ cực đại Kết quả trào lưu công suất khi sử dụng HVAC trong chế độ cực tiểu Trào lưu công suất trường hợp sử dụng HVDC trong chế độ cực tiểu Kết quả dòng ngắn mạch khi sử dụng HVAC Kết quả dòng ngắn mạch khi sử dụng HVDC Dạng sóng dòng điện ngắn mạch tại thanh cái RES 42 43 43 44 45 45 46 46 47 47 48 48 49 49 50 51 54 54 C C DU R L T. 55 56 56 59 62 65 67 68 71 1 MỞ ĐẦU 1. Đ t v n đề Với nhịp độ tăng trưởng của nền kinh tế xã hội và sự gia tăng dân số toàn cầu hiện nay, nhu cầu tiêu thụ năng lượng không ngừng tăng lên đòi hỏi ngành điện phải luôn luôn phát triển và đi trước đón đầu. Từ đó hệ thống điện (HTĐ) cũng liên tục mở rộng và phát triển cả về nguồn và các đường dây truyền tải, nhất là khi các nguồn năng lượng tái tạo: gió, mặt trời,… được tích hợp trong lưới điện ngày càng nhiều đòi hỏi hệ thống phải có sự nâng cấp và đáp ứng trên nhiều phương diện. Hiện nay, nhiều nghiên cứu về việc nâng cấp hệ thống điện với mục tiêu chất lượng điện năng và giảm sự tổn hao trên hệ thống đã được tiến hành và ứng dụng vào thực tế. Trong đó, truyền tải năng lượng một chiều HVDC ngày càng được chú trọng nghiên cứu cho việc cung cấp năng lượng với công suất truyền tải lớn, khoảng cách xa, và đặc biệt phù hợp ứng dụng với các hệ thống điện có sự xâm nhập ngày càng sâu của năng lượng tái tạo. Số lượng các dự án HVDC (high voltage direct current) trên toàn C C R L T. cầu đang dần tăng lên trong những năm gần đây phản ánh sự quan tâm đúng mức về công nghệ này. Các thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng tiên tiến trong lĩnh vực điện tử DU công suất đã góp phần mở rộng phạm vi tiềm năng của truyền dẫn HVDC bao gồm các ứng dụng cho cáp ngầm, truyền tải năng lượng điện gió ngoài khơi, góp phần tăng độ linh hoạt, độ tin cậy và ổn định điện áp. Với quy mô phát triển của hệ thống điện Việt Nam, quá trình nâng cấp hệ thống điện và ứng dụng các công nghệ mới vào truyền tải điện năng đang dần nóng lên trong bối cảnh năng lượng gió và mặt trời kết nối vào lưới ngày một nhiều và hệ thống truyền tải HVAC hiện nay khó có khả năng đáp ứng được. Hơn nữa, khu vực Miền Trung – Tây Nguyên là cầu nối cho 2 Miền Bắc - Nam hệ thống truyền tải lại càng mang tính chất trọng điểm. Điều này làm cho hệ thống lưới truyền tải xuống cấp và cần được bảo dưỡng, thay thế. Trên cơ sở tìm hiểu hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC và những phân tích trên đây, học viên chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC nhằm nâng cao khả năng truyền tải điện năng có xét đến sự phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo” cho luận văn tốt nghiệp của mình. 2. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC và phương pháp điều khiển các bộ chuyển đổi trong hệ thống. Từ đó mô hình hóa hệ thống chuyển đổi tích hợp vào lưới điện truyền tải nhằm nâng cao sự ổn định của hệ thống. - Góp phần nâng cao hiệu quả truyền tải điện năng trên lưới điện, từ đó nâng cao 2 các hiệu quả về kinh tế, đầu tư trong quá trình truyền tải điện năng và ứng dụng các nghiên cứu mới cho hệ thống điện Việt Nam. - Đưa ra một thiết kế tham khảo về ứng dụng HVDC cho việc xây dựng và phát triển hệ thống điện Việt Nam, nhất là lưới điện truyền tải sau này. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu - Các loại hình năng lượng tái tạo - Hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC. - Bộ chuyển đổi trong hệ thống HVDC. Bộ chuyển đổi nguồn áp VSC - Lưới điện truyền tải khu vực Kon Tum – Gia Lai. - Số liệu về công suất truyền tải trên lưới. - Các phần mềm mô phỏng chuyên ngành. 3.2. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về năng lượng tái tạo, hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC, phương pháp điều khiển bộ chuyển đổi trong hệ thống HVDC C C R L T. - Khảo sát hiện trạng lưới điện truyền tải khu vực Kon Tum – Gia Lai, trào lưu công suất trên lưới và các phương pháp giảm tổn thất trên lưới điện DU - Ứng dụng phần mềm chuyên ngành mô phỏng hệ thống truyền tải HVDC trên lưới điện lựa chọn. Phân tích, đánh giá kết quả thu được. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Đánh giá tổng quan về các nguồn năng lượng tái tạo, hệ thống truyền tải năng lượng một chiều HVDC và phương pháp điều khiển các bộ chuyển đổi trong hệ thống, tập trung vào bộ chuyển đổi nguồn áp VSC. Nghiên cứu đánh giá thực trạng lưới điện truyền tải khu vực Kon Tum – Gia Lai. Tình hình vận hành và tổn thất trên lưới. Từ đó, tìm hiểu các phương pháp nâng cao khả năng vận hành của lưới điện và ứng dụng hệ thống HVDC. Trên cơ sở phân tích lý thuyết, sử dụng phần mềm để mô phỏng quá trình vận hành của lưới điện tích hợp hệ thống HVDC. Phân tích, nhận xét các kết quả thu được về quá trình vận hành, tổn thất trên lưới điện. 5. Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài Từ thực tiễn và cụ thể là những đặc điểm, đặc trưng của hệ thống điện Việt Nam hiện nay, trong thời kỳ phát triển kinh tế với sự bùng nổ của năng lượng tái tạo, đề tài góp phần: - Ứng dụng các nghiên cứu trước đây nhằm đưa ra phương án phát triển hệ thống truyền tải điện của Việt Nam. - Nâng cao khả năng vận hành và đảm bảo độ ổn định của lưới điện, từ đó giảm 3 thiểu tổn thất về điện năng, kinh tế trong quá trình vận hành. - Góp phần vào việc triển khai công nghệ mới trong cũng như thúc đẩy sự phát triển và tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo trong hệ thống điện 6. C u trúc của luận văn Luận văn được trình bày thành 4 chương và đưa ra Kết luận: Chương 1: Tổng quan về năng lượng tái tạo và hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC 1.1. Thực trạng và sự phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo. 1.2. Tổng quan về lưới điện thông minh ứng dụng hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC 1.3. Sơ lược hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC 1.4. Cấu tạo của hệ thống HVDC và các phần tử chính 1.5. Các bộ chuyển đổi cơ bản trong hệ thống HVDC C C 1.6. Kết luận Chương 2: Phương pháp điều khiển bộ chuyển đổi VSC trong hệ thống HVDC 2.1. Ứng dụng của bộ chuyển đổi VSC trong hệ thống HVDC 2.2. Các phương pháp chuyển hệ tọa độ. R L T. DU 2.3. Điều khiển VSC trong hệ tọa độ dq. 2.4. Kết luận Chương 3: Hiện trạng lưới điện khu vực Kon Tum – Gia Lai, lựa chọn khu vực ứng dụng hệ thống HVDC. Giới thiệu phần mềm mô phỏng ETAP. 3.1. Hiện trạng lưới điện khu vực Kon Tum – Gia Lai 3.2. Lựa chọn khu vực ứng dụng hệ thống HVDC 3.3. Giới thiệu phần mềm mô phỏng ETAP 3.4. Kết luận Chương 4: Ứng dụng phần mềm xây dựng mô hình lưới điện truyền tải tích hợp hệ thống HVDC 4.1. Xây dựng mô hình hệ thống 4.2. Kết quả mô phỏng 4.3. Phân tích, đánh giá kết quả 4.4. Kết luận Các kết quả mô phỏng được đưa ra đánh giá, phân tích về hiệu quả hoạt động của hệ thống. 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO VÀ HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN MỘT CHIỀU HVDC 1.1. Thực trạng và sự phát triển của các nguồn năng lƣợng tái tạo 1.1.1. Tổng quan về năng lượng tái tạo Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn như năng lượng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng và địa nhiệt. Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường và đưa vào trong các ứng dụng kỹ thuật. Các quy trình này thường được thúc đẩy đặc biệt là từ Mặt Trời. Năng lượng tái tạo thay thế các nguồn nhiên liệu truyền thống trong 4 lĩnh vực gồm: phát điện, đun nước nóng, nhiên liệu động cơ, và hệ thống điện độc lập nông thôn. C C R L T. Ngành công nghiệp điện trên thế giới hiện nay chủ yếu dựa trên công nghệ nhiệt và thủy điện, nhưng cũng đã bộc lộ mặt trái của nó đối với môi trường trái đất. Để khắc phục tình hình cạn kiệt năng lượng truyền thống và hạn chế ô nhiễm môi DU trường thì việc nghiên cứu và phát triển các nguồn năng lượng sạch, tái tạo là cần thiết. 1.1.2. Tình hình phát triển năng lượng tái tạo trong những năm gần đây a) Trên thế giới Phát triển nguồn điện năng lượng tái tạo là xu thế toàn cầu. Để thúc đẩy sự gia tăng phát triển nguồn điện năng lượng tái tạo đòi hỏi phải giải quyết nhiều thách thức.Việc phát triển nguồn điện năng lượng tái tạo đòi hỏi phải có chiến lược, lộ trình, bước đi và cơ chế chính sách thích hợp phù hợp với điều kiện cụ thể. Năm 2015, sản lượng điện từ năng lượng tái tạo, không bao gồm thủy điện, chiếm 6,8% tổng sản lượng điện toàn cầu, trong đó bao gồm 3,5% điện gió, 1,9% điện sinh khối và 1,0% điện mặt trời (quang điện). Nếu tính cả thủy điện (16,0%) thì sản lượng điện từ các nguồn năng lượng tái tạo đạt tới 22,8%. Tại Ấn Độ năm 2014 nước này đã gia tăng nhanh chóng công suất nguồn điện năng lượng tái tạo, bao gồm cả nguồn điện mặt trời PV (photovoltaics) được hỗ trợ bởi nguồn bức xạ mặt trời phong phú, theo mục tiêu quốc gia đề ra là 175 GW (không kể các nhà máy thủy điện quy mô lớn) vào năm 2022. Hoa Kỳ đã công bố mức tăng kỷ lục công suất nguồn điện năng lượng tái tạo trên 20 GW vào năm 2016. Mặc dù hiện nay việc xử lý các ưu đãi thuế ở cấp liên bang đối với năng lượng tái tạo không chắc chắn, tăng trưởng công suất nguồn điện năng lượng tái tạo vào năm 2017 và 2018 sẽ là khoảng 20 GW do mở rộng nguồn điện năng 5 lượng mặt trời PV nhờ chính sách thúc đẩy năng lượng tái tạo ở cấp bang và giảm nhanh chi phí. Cuối năm 2018, công suất phát điện tái tạo toàn cầu lên tới 2.351 GW. Thủy điện chiếm tỷ trọng lớn nhất trong tổng số toàn cầu, với công suất lắp đặt là 1.172 GW. Năng lượng gió và mặt trời chiếm phần lớn còn lại, với công suất lần lượt là 564 GW và 486 GW. Năng lượng tái tạo khác bao gồm 115 GW của năng lượng sinh học, 13 GW năng lượng địa nhiệt và 500 MW năng lượng biển (thủy triều, năng lượng sóng và đại dương) C C R L T. DU Hình 1.1. Tình tình phát triển năng lượng tái tạo năm 2018 [11] Công suất phát điện tái tạo tính đến năm 2018 tăng khoảng 171 GW so với năm 2017 (+ 7.9%). Trong đó năng lượng mặt trời tiếp tục thống trị, với công suất tăng 94 GW (+ 24%), tiếp theo là năng lượng gió với mức tăng 49 GW (+10%). Thuỷ điện tăng 21 GW (+2%) và năng lượng sinh học là 6 GW (+5%). Năng lượng địa nhiệt chỉ tăng hơn 500 MW. Mở rộng công suất tái tạo tiếp tục được thúc đẩy chủ yếu nhờ vào sự phát triển công suất lắp đặt của năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Hai loại hình này chiếm 84% tổng công suất mới được lắp đặt vào năm 2018, cuối cùng đẩy tỷ lệ thủy điện chung xuống dưới 50%. 6 Hình 1.2. Hiện trạng năng lượng tái tạo trên thế giới phân chia theo khu vực Châu Á chiếm 61% công suất mới trong năm 2018 (thấp hơn một chút so với năm trước đó) và hơn một Terawatt công suất tái tạo (44% tổng công suất toàn cầu). Châu Á và Châu Đại Dương cũng là những khu vực phát triển nhanh nhất với sự tăng trưởng +11,4% và +17,7% tương ứng. C C R L T. Châu Âu mở rộng với cùng số lượng như năm 2017 (+24 GW, a 4.6%). Bắc Mỹ phục hồi nhẹ, với mức tăng 19 GW (+5,4 %). Sự phát triển năng lượng tái tạo ở Châu DU Phi cũng như năm 2017 với mức tăng 3,6 GW (+8,4 %). Theo báo cáo của IEA, chi phí bình quân toàn cầu về điện năng khả dụng (Utility scale) của các nhà máy điện mặt trời, giảm hơn 50% từ năm 2012 xuống còn 11 Cent/kWh vào năm 2016 và dự kiến sẽ giảm xuống mức 8,7 Cent/kWh vào năm 2022. Các yếu tố làm giảm chi phí gồm có việc thực hiện đấu giá cạnh tranh ở nhiều quốc gia khác nhau và giá mô-đun điện mặt trời PV giảm mạnh nhờ việc mở rộng quy mô áp dụng trên khắp thế giới. Tương tự, mức chi phí bình quân toàn cầu về điện năng khả dụng (LCOE) của điện gió trên thềm lục địa (Onshore), không bao gồm trợ cấp, được ước tính là 7,5 Cent/kWh năm 2016 và dự kiến giảm xuống còn 6,5 Cent/kWh vào năm 2022 cũng nhờ cuộc chạy đua cắt giảm chi phí thông qua đấu giá cạnh tranh. Việc thực hiện đấu giá cho điện mặt trời PV và điện gió đang gia tăng trên toàn cầu để giảm chi phí. Việc giảm chi phí như dự kiến sẽ mở đường cho điện mặt trời PV và điện gió phát triển rộng khắp trên toàn cầu với một tốc độ ổn định. Tuy nhiên, việc mở rộng các nguồn điện năng lượng tái tạo tự nhiên sẽ làm mất ổn định hệ thống điện. Vì vậy, các nước sẽ phải nâng cao tính linh hoạt của hệ thống điện trên tiền đề của việc mở rộng quy mô các nguồn điện năng lượng tái tạo tự nhiên. Việc cải thiện này, mặc dù kéo theo tăng chi phí hệ thống điện, có khả năng tạo ra các mô hình kinh doanh mới. 7 b) Tại Việt Nam Việt Nam được đánh giá là quốc gia có nhiều tiềm năng để phát triển năng lượng tái tạo. Việc khai thác các nguồn năng lượng tái tạo có ý nghĩa hết sức quan trọng cả về kinh tế, xã hội, an ninh năng lượng và phát triển bền vững. Quy hoạch điện VII điều chỉnh đặt ra mục tiêu và định hướng phát triển năng lượng tái tạo. Ưu tiên phát triển nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo, tạo đột phá trong việc bảo đảm an ninh năng lượng quốc gia, góp phần bảo tồn tài nguyên năng lượng, giảm thiểu tác động tiêu cực tới môi trường trong sản xuất điện. Từ đó tăng tỷ trọng của điện năng sản xuất từ nguồn năng lượng tái tạo trong cơ cấu nguồn điện với các tiêu chí: - Ưu tiên phát triển các các dự án nguồn thủy điện có lợi ích tổng hợp (chống lũ, điều tiết nước, cung cấp điện), nghiên cứu đưa nhà máy thủy điện tích năng vào vận hành phù hợp với phát triển của hệ thống điện Quốc gia nhằm nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống điện. Tổng công suất các nguồn thủy điện (bao gồm cả thủy điện C C vừa và nhỏ, thủy điện tích năng) lên khoảng 21.600 MW vào năm 2020, khoảng 24.600 MW vào năm 2025 (thủy điện tích năng 1.200 MW) và khoảng 27.800 MW R L T. vào năm 2030 (thủy điện tích năng 2.400 MW). - Nâng tổng công suất nguồn điện gió lên khoảng 800 MW vào năm 2020, DU khoảng 2.000 MW vào năm 2025 và khoảng 6.000 MW vào năm 2030. - Phát triển điện sử dụng nguồn năng lượng sinh khối, nâng tỷ trọng điện năng sản xuất từ nguồn năng lượng sinh khối đạt khoảng 1% vào năm 2020, khoảng 1,2% vào năm 2025 và khoảng 2,1% vào năm 2030. - Đẩy nhanh phát triển nguồn điện sử dụng năng lượng mặt trời, bao gồm cả nguồn tập trung lắp đặt trên mặt đất và nguồn phân tán lắp đặt trên mái nhà. Đưa tổng công suất nguồn điện mặt trời lên khoảng 850 MW vào năm 2020, khoảng 4.000 MW vào năm 2025 và khoảng 12.000 MW vào năm 2030. 1.2. Tổng quan về lƣới điện thông minh ứng dụng hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC Hiện nay, với xu thế phát triển nhanh chóng của lưới điện thông minh và lưới điện siêu nhỏ cùng với sự xâm nhập cao của các nguồn năng lượng tái tạo, hệ thống HVDC ngày càng được nghiên cứu sâu hơn nhằm cung cấp dịch vụ truyền tải cho các mô hình lưới điện này. 8 AC/DC HVDC DC/AC Nguồn phát truyền thống và NLTT Phụ tải Hệ thống điện lớn Hình 1.3. Mô hình lưới điện sử dụng HVDC 1.2.1. Lưới điện thông minh - Smart grid Smart grid (SG) là hệ thống điện lưới có sử dụng các công nghệ thông tin và truyền thông để tối ưu việc truyền dẫn, phân phối điện năng giữa nhà sản xuất và hộ C C R L T. tiêu thụ, hợp nhất cơ sở hạ tầng điện với cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc. Có thể coi hệ thống điện thông minh gồm có hai lớp: Lớp 1 là hệ thống điện thông thường và bên trên nó là lớp 2, hệ thống thông tin, truyền thông, đo lường: DU - Là một hệ thống điện phục vụ hàng triệu khách hàng và có một cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc thông minh, cho phép dòng thông tin kịp thời, an toàn và khả năng thích ứng cao cần thiết để cung cấp điện cho nền kinh tế kỹ thuật số đang phát triển hiện nay. - Là một hệ thống điện tự xử lý, điều chỉnh trong những tình trạng khẩn cấp bằng cách tự điều chỉnh và đáp ứng nhu cầu tiện ích và thị trường năng lượng hiện nay. - Là một tập hợp rộng lớn của công nghệ truyền tải điện một cách linh hoạt, dễ tiếp cận, đáng tin cậy và có tính kinh tế, SG đáp ứng mong muốn của người sử dụng điện về việc phân phối, việc triển khai của hệ thống quản lý nhu cầu và lưu trữ năng lượng hoặc mở rộng tối ưu và quản lý tài sản lưới điện 9 Hình 1.4. Chức năng của SG Các đặc điểm của SG: - Thoả mãn yêu cầu thực tế ngày càng tăng. C C R L T. - Dễ dàng kết nối và đảm bảo vận hành cho tất cả các nguồn điện với các kích cỡ và công nghệ khác nhau, kể cả các nguồn điện phân tán như các nguồn năng lượng tái tạo, làm cho toàn bộ hệ thống vận hành hiệu quả hơn. DU - Khả năng tự động khôi phục cung cấp điện khi có sự cố xảy ra mất điện đối với khách hàng. - Chống được sự tấn công cố ý đối với hệ thống cả về mặt vật lý và mạng máy tính. - Nâng cao độ tin cậy, chất lượng và an toàn của hệ thống cung cấp điện. - Hiệu quả cao trong sản xuất, truyền tải, phân phối, tiết kiệm điện. - Duy trì và cải tiến các dịch vụ hiện hành một cách hiệu quả. - Sử dụng rộng rãi các nguồn năng lượng tái tạo. - Cho phép các hộ gia đình dùng điện chủ động tham gia vào việc vận hành tối ưu hệ thống, làm cho thị trường điện phát triển. - Cung cấp cho các hộ dùng điện đầy đủ thông tin và các lựa chọn nguồn cung cấp. - Giảm thiểu các tác động ảnh hưởng tới môi trường. - Tích hợp (theo dõi, kiểm soát, bảo vệ, bảo trì, EMS, DMS, AMI). 1.2.2. Microgrid Một microgrid có thể tích hợp hiệu quả các nguồn phát điện phân tán (Distributed generation - DG) đặc biệt là nguồn năng lượng tái tạo (Renewable energy) hoặc các nguồn vi mô như pin nhiên liệu, pin mặt trời (PV), tua bin gió và các tuabin