Ưu điểm của đường dây tải điện một chiều cao áp so với đường dây xoay chiều

Đã trở thành đường dây truyền tải điện áp cao truyền thống, ngày nay chúng hoạt động liên tục bằng cách sử dụng dòng điện xoay chiều. Nhưng bạn đã bao giờ nghĩ về những lợi thế mà đường dây truyền tải DC điện áp cao có thể mang lại so với đường dây AC chưa? Vâng, chúng ta đang nói về đường dây truyền tải dòng điện một chiều điện áp cao (Truyền tải điện HVDC).

Tất nhiên, để hình thành một đường dây cao áp một chiều, trước hết, bộ chuyển đổi, sẽ tạo ra dòng điện một chiều từ dòng điện xoay chiều và dòng điện xoay chiều từ dòng điện một chiều. Các bộ biến tần và bộ chuyển đổi như vậy rất đắt tiền, cũng như phụ tùng thay thế cho chúng, có giới hạn quá tải, ngoài ra, đối với mỗi dòng, thiết bị phải là duy nhất mà không cần phóng đại. Trong khoảng cách ngắn, tổn thất điện năng trong các bộ chuyển đổi làm cho một đường truyền như vậy nói chung là không kinh tế.

Nhưng trong những ứng dụng nào sẽ thích hợp hơn để sử dụng nó D.C.? Tại sao điện áp xoay chiều cao đôi khi không đủ hiệu quả? Cuối cùng, đường dây tải điện một chiều điện áp cao đã được sử dụng chưa? Chúng tôi sẽ cố gắng tìm câu trả lời cho những câu hỏi này.

Bạn không cần phải đi đâu xa để lấy ví dụ. Một dây cáp điện đặt dưới đáy biển Baltic giữa hai nước láng giềng Đức và Thụy Điển dài 250 mét, nếu dòng điện xoay chiều thì điện trở sẽ gây ra tổn thất đáng kể. Hay khi cấp điện cho vùng sâu, vùng xa khi không thể lắp đặt thiết bị trung gian. Ở đây cũng vậy, dòng điện một chiều cao áp sẽ ít gây tổn thất hơn.

Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn cần tăng công suất của một đường dây hiện có mà không cần lắp thêm một đường dây bổ sung? Và trong trường hợp cấp nguồn cho các hệ thống phân phối AC không đồng bộ với nhau?

Trong khi đó, đối với công suất cụ thể được truyền cho dòng điện một chiều, ở điện áp cao, cần có tiết diện dây nhỏ hơn và các tháp có thể thấp hơn. Ví dụ, Đường dây tải điện lưỡng cực sông Nelson của Canada kết nối lưới điện phân phối và nhà máy điện từ xa.

Lưới điện AC có thể được ổn định mà không làm tăng nguy cơ đoản mạch. Phóng điện corona, gây ra tổn thất trên đường dây AC do đỉnh điện áp cực cao, ít hơn nhiều với DC, tương ứng với lượng ozone ít gây hại hơn được giải phóng. Một lần nữa, giảm chi phí xây dựng đường dây điện, ví dụ cần ba dây cho ba pha và chỉ cần hai dây cho HVDC. Một lần nữa, lợi ích tối đa của cáp ngầm dưới biển không chỉ là ít vật liệu hơn mà còn ít tổn thất điện dung hơn.

Từ năm 1997AAB lắp đặt các đường dây HVDC Light có công suất lên tới 1,2 GW ở điện áp lên tới 500 kV. Do đó, một liên kết điện danh nghĩa 500 MW đã được xây dựng giữa các lưới điện của Vương quốc Anh và Ireland.

Kết nối này cải thiện tính bảo mật và độ tin cậy của việc cung cấp điện giữa các mạng. Chạy từ tây sang đông, một trong các tuyến cáp trong mạng lưới dài 262 km, với 71% cáp nằm dưới đáy biển.

Một lần nữa, hãy nhớ rằng nếu dòng điện xoay chiều được sử dụng để sạc lại điện dung của cáp, thì sẽ có tổn thất điện năng không cần thiết và vì dòng điện được cấp liên tục nên tổn thất không đáng kể. Ngoài ra, cũng không nên bỏ qua tổn thất điện môi AC.

Nói chung, với dòng điện một chiều, có thể truyền nhiều điện năng hơn qua cùng một dây dẫn, bởi vì điện áp cực đại ở cùng một công suất, nhưng với dòng điện xoay chiều thì cao hơn, ngoài ra, lớp cách điện phải dày hơn, tiết diện lớn hơn, khoảng cách giữa các dây dẫn lớn hơn, v.v. Xem xét tất cả các yếu tố này, hành lang của đường dây truyền tải dòng điện một chiều cung cấp khả năng truyền năng lượng điện dày đặc hơn.

Đường dây điện cao thế vĩnh viễn không được tạo ra xung quanh chúng từ trường xoay chiều tần số thấpnhư điển hình của đường dây tải điện xoay chiều. Một số nhà khoa học nói về tác hại của từ trường biến thiên này đối với sức khỏe con người, thực vật, động vật. Ngược lại, dòng điện một chiều chỉ tạo ra một độ dốc điện trường không đổi (không thay đổi) trong không gian giữa dây dẫn và mặt đất, và điều này an toàn cho sức khỏe của con người, động vật và thực vật.

Sự ổn định của các hệ thống AC được tạo điều kiện bởi dòng điện một chiều.Do điện áp cao và dòng điện một chiều, có thể truyền điện giữa các hệ thống AC không đồng bộ với nhau. Điều này ngăn thiệt hại theo tầng lan rộng. Trong trường hợp hỏng hóc không nghiêm trọng, năng lượng chỉ được chuyển vào hoặc ra khỏi hệ thống.

Điều này càng thúc đẩy việc áp dụng lưới điện một chiều cao áp, tạo ra những nền tảng mới.

Trạm chuyển đổi Siemens cho đường dây truyền tải dòng điện một chiều điện áp cao (HVDC) giữa Pháp và Tây Ban Nha

Sơ đồ đường dây HVDC hiện đại

Dòng năng lượng được điều chỉnh bởi hệ thống điều khiển hoặc trạm chuyển đổi. Lưu lượng không liên quan đến phương thức hoạt động của các hệ thống kết nối với đường dây.

Các kết nối trên đường dây DC có công suất truyền nhỏ tùy ý so với đường dây AC và vấn đề liên kết yếu được loại bỏ. Bản thân các dòng có thể được thiết kế có tính đến việc tối ưu hóa các dòng năng lượng.

Ngoài ra, những khó khăn trong việc đồng bộ hóa một số hệ thống điều khiển khác nhau để vận hành các hệ thống năng lượng riêng lẻ sẽ biến mất. Bộ điều khiển khẩn cấp nhanh bao gồm Dây dẫn điện một chiều tăng độ tin cậy và ổn định của mạng tổng thể. Kiểm soát dòng điện có thể làm giảm dao động trong các đường song song.

Những ưu điểm này sẽ tạo điều kiện cho việc áp dụng nhanh hơn tương tác dòng điện một chiều điện áp cao để chia các hệ thống điện lớn thành nhiều phần được đồng bộ hóa với nhau.

Ví dụ, một số hệ thống khu vực đã được xây dựng ở Ấn Độ được kết nối với nhau bằng các đường dây cao áp một chiều.Ngoài ra còn có một chuỗi các bộ chuyển đổi được điều khiển bởi một trung tâm đặc biệt.

Ở Trung Quốc cũng vậy. Năm 2010, ABB đã xây dựng tại Trung Quốc đường dây điện một chiều siêu cao áp 800 kV đầu tiên trên thế giới tại Trung Quốc. Đường dây 1100 kV Zhongdong — Wannan UHV DC với chiều dài 3400 km và công suất 12 GW đã được hoàn thành vào năm 2018.

Tính đến năm 2020, ít nhất 13 công trường đã hoàn thành các dây chuyền EHV DC ở Trung Quốc. Các đường dây HVDC truyền tải lượng điện năng lớn trên khoảng cách đáng kể, với nhiều nhà cung cấp điện được kết nối với mỗi đường dây.

Theo quy định, các nhà phát triển đường dây truyền tải dòng điện một chiều điện áp cao không cung cấp cho công chúng thông tin về chi phí dự án của họ, vì đây là bí mật thương mại. Tuy nhiên, các chi tiết cụ thể của các dự án tự điều chỉnh và giá thay đổi tùy thuộc vào: công suất, chiều dài cáp, phương pháp lắp đặt, chi phí đất đai, v.v.

Bằng cách so sánh kinh tế tất cả các khía cạnh, một quyết định được đưa ra liên quan đến tính khả thi của việc xây dựng một đường dây HVDC. Ví dụ, việc xây dựng đường dây tải điện bốn dây giữa Pháp và Anh, công suất 8 GW, cùng với công việc trên bờ, cần khoảng một tỷ bảng Anh.

Danh sách các dự án điện một chiều cao áp (HVDC) quan trọng trong quá khứ

Vào những năm 1880 có cái gọi là chiến tranh của các dòng hải lưu giữa những người ủng hộ DC như Thomas Edison và những người ủng hộ AC như Nikola Tesla và George Westinghouse. DC tồn tại trong 10 năm, nhưng sự phát triển nhanh chóng của máy biến áp, cần thiết để tăng điện áp và do đó hạn chế tổn thất, dẫn đến sự phát triển của mạng AC. Chỉ với sự phát triển của điện tử công suất, việc sử dụng dòng điện một chiều điện áp cao mới có thể thực hiện được.

công nghệ HVDC xuất hiện vào những năm 1930. Nó được phát triển bởi ASEA ở Thụy Điển và Đức. Đường dây HVDC đầu tiên được xây dựng ở Liên Xô vào năm 1951 giữa Moscow và Kashira. Sau đó, vào năm 1954, một tuyến khác được xây dựng giữa đảo Gotland và lục địa Thụy Điển.

Mát-xcơ-va — Kashira (Liên Xô) — chiều dài 112 km, điện áp — 200 kV, công suất — 30 MW, năm xây dựng — 1951. Đây được coi là dòng điện cao áp một chiều điện tử hoàn toàn tĩnh đầu tiên trên thế giới được đưa vào vận hành. Dòng này hiện không tồn tại.

Gotland 1 (Thụy Điển) — chiều dài 98 km, điện áp — 200 kV, công suất — 20 MW, năm xây dựng — 1954. Liên kết HVDC thương mại đầu tiên trên thế giới. Được mở rộng bởi ABB vào năm 1970, ngừng hoạt động vào năm 1986.

Volgograd — Donbass (Liên Xô) — chiều dài 400 km, điện áp — 800 kV, công suất — 750 MW, năm xây dựng — 1965. Giai đoạn đầu tiên của đường dây điện một chiều 800 kV Volgograd — Donbass được đưa vào vận hành năm 1961, được báo chí ghi nhận vào thời điểm đó là một giai đoạn rất quan trọng trong sự phát triển kỹ thuật của kỹ thuật điện Liên Xô. Hiện tại đường dây đã được tháo dỡ.

Thử nghiệm bộ chỉnh lưu cao áp cho đường dây một chiều trong phòng thí nghiệm VEI, 1961.

Sơ đồ dòng điện một chiều điện áp cao Volgograd — Donbass

Nhìn: Hình ảnh lắp đặt điện và thiết bị điện ở Liên Xô 1959-1962

HVDC giữa các đảo của New Zealand — chiều dài 611 km, điện áp — 270 kV, công suất — 600 MW, năm xây dựng — 1965. Từ năm 1992, АBB... Điện áp 350 kV được xây dựng lại.

Từ năm 1977cho đến nay, tất cả các hệ thống HVDC đều được xây dựng bằng cách sử dụng các thành phần trạng thái rắn, trong hầu hết các trường hợp là thyristor, kể từ cuối những năm 1990, bộ chuyển đổi IGBT đã được sử dụng.

Bộ biến tần IGBT tại trạm biến đổi Siemens cho đường dây truyền tải dòng điện một chiều điện áp cao (HVDC) giữa Pháp và Tây Ban Nha

Cahora Bassa (Mozambique - Nam Phi) — chiều dài 1420 km, điện áp 533 kV, công suất — 1920 MW, năm xây dựng 1979. HVDC đầu tiên có điện áp trên 500 kV. Sửa chữa ABB 2013-2014

Ekibastuz — Tambov (Liên Xô) — chiều dài 2414 km, điện áp — 750 kV, công suất — 6000 MW. Dự án bắt đầu từ năm 1981. Khi đi vào hoạt động, đây sẽ là đường dây tải điện dài nhất thế giới. Các địa điểm xây dựng đã bị bỏ hoang vào khoảng năm 1990 do sự sụp đổ của Liên Xô và dây chuyền không bao giờ được hoàn thành.

Interconnexion France Angleterre (Pháp — Vương quốc Anh) — chiều dài 72 km, điện áp 270 kV, công suất — 2000 MW, năm xây dựng 1986.

Gezhouba — Thượng Hải (Trung Quốc) — 1046 km, 500 kV, công suất 1200 MW, 1989.

Rihand Delhi (Ấn Độ) — chiều dài 814 km, điện áp — 500 kV, công suất — 1500 MW, năm xây dựng — 1990.

Cáp Baltic (Đức - Thụy Điển) — chiều dài 252 km, điện áp — 450 kV, công suất — 600 MW, năm xây dựng — 1994.

Tiền Quan (Trung Quốc) — chiều dài 960 km, điện áp — 500 kV, công suất — 1800 MW, năm xây dựng — 2001.

Talcher Kolar (Ấn Độ) — chiều dài 1450 km, điện áp — 500 kV, công suất — 2500 MW, năm xây dựng — 2003.

Tam Hiệp — Thường Châu (Trung Quốc) — chiều dài 890 km, điện áp — 500 kV, công suất — 3000 MW, năm xây dựng — 2003. Năm 2004 và 2006.Xây dựng thêm 2 đường dây từ nhà máy thủy điện HVDC “Tam Hiệp” đến Huệ Châu và Thượng Hải dài 940 và 1060 km.

Nhà máy thủy điện lớn nhất thế giới, Tam Hiệp, được kết nối với Thường Châu, Quảng Đông và Thượng Hải bằng các đường dây cao áp một chiều

Xiangjiaba-Thượng Hải (Trung Quốc) — tuyến từ Fulong đến Fengxia. Chiều dài 1480 km, điện áp 800 kV, công suất 6400 MW, năm xây dựng 2010.

Vân Nam — Quảng Đông (Trung Quốc) — chiều dài 1418 km, điện áp — 800 kV, công suất — 5000 MW, năm xây dựng — 2010.