Nghiên cứu áp dụng hệ thống truyền tải điện một chiều cao áp cho hệ thống điện gió xa bờ

ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology30 Khoa học & Công nghệ - Số 21/Tháng 3 - 2019
NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN MỘT CHIỀU CAO ÁP
CHO HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ XA BỜ
Nguyễn Thị Thùy Dương, Nguyễn Thị Vân Anh,
Nguyễn Thị Thùy Dung, Đoàn Văn Điện
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên
Ngày tòa soạn nhận được bài báo: 10/01/2019
Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 22/01/2019
Ngày bài báo được duyệt đăng: 05/02/2019
Tóm tắt:
Việc xây dựng các trang trại phát điện gió ngoài khơi là bước tiếp theo đối với việc sử dụng điện 
gió ở các nước ven biển trên thế giới. Sự kết nối giữa các trang trại gió ngoài khơi với lưới điện trên bờ có 
khoảng cách trên 50 km công suất lắp đặt trên 100 MW thì công nghệ truyền tải điện áp một chiều HVDC 
(High Voltage Direct Current) có nhiều lợi ích hơn công nghệ truyền tải bằng dòng xoay chiều HVAC (High 
Voltage Alternating Current). Bài báo này trình bày việc kết nối các hệ thống ngoài khơi với lưới điện trên 
bờ thông qua công nghệ truyền tải HVDC. Các nghiên cứu cụ thể được thực hiện ở cả chế độ xác lập và 
chế độ quá độ của hệ thống nhằm đánh giá khả năng truyền tải bằng dòng một chiều đối với các hệ thống 
điện gió xa bờ.
Từ khóa: Điện gió ngoài khơi, HVDC, Bộ biến đổi nguồn dòng, Bộ biến đổi nguồn áp.
1. Giới thiệu
Năng lượng gió được xem xét là một trong 
những nguồn năng lượng tái tạo hứa hẹn, đang được 
phát triển mạnh mẽ, đặc biệt ở châu Âu và ở Mỹ. 
Năng lượng gió trên thực tế, là nguồn năng lượng 
tái tạo phát triển nhanh nhất: từ năm 1996, công 
suất lắp đặt từ 23900 MW lên 486749 MW [1]. Sự 
phát triển nhanh chóng của năng lượng gió trên 
khắp thế giới đã mở ra các môi trường mới trong 
việc tạo ra năng lượng gió dưới dạng các trang trại 
gió ngoài khơi. Việc tính tới đặt các turbine gió trên 
biển đã trở thành hiện thực, vì các vị trí trên bờ có 
gió tốt nhất để phát điện đã không còn nhiều. Gió 
ngoài khơi có tốc độ cao và ổn định hơn, tốt hơn cho 
việc phát điện, các khu vực lắp đặt rộng hơn, cũng 
như vấn đề di chuyển turbine gió ra xa khỏi khu dân 
cư là những lý do chính thúc đẩy đầu tư vào năng 
lượng gió ngoài khơi.
Sự kết nối các trang trại gió ngoài khơi và 
mạng lưới điện trên bờ có thể được thực hiện bằng 
công nghệ truyền tải HVAC hoặc HVDC. Hệ thống 
truyền tải HVAC là hệ thống truyền tải phổ biến 
nhất từ đầu thế kỷ 20 trên toàn thế giới, cho đến nay 
công nghệ truyền tải HVAC là công nghệ truyền tải 
có chi phí và tổn hao thấp ở khoảng cách ngắn.
Do những ưu điểm này mà HVAC là công 
nghệ truyền tải được sử dụng phổ biến để kết nối 
các trang trại gió ngoài khơi (offshore) với mạng 
lưới điện trên bờ (onshore). Tuy nhiên, nếu các 
trang trại gió nằm ngoài khơi cách xa đất liền và 
sử dụng cáp ngầm để truyền tải dòng xoay chiều 
với khoảng cách dài thì sẽ sinh ra công suất phản 
kháng chạy trên đường dây. Điều này sẽ làm hạn 
chế khả năng truyền tải của cáp ngầm và gây ra tổn 
thất điện áp, tổn thất công suất trong cáp. Vì vậy 
trong phạm vi của bài báo này, nhóm nghiên cứu 
chỉ tập trung nghiên cứu và đề xuất việc truyền tải 
cho các trang trại gió xa bờ bằng công nghệ truyền 
tải một chiều HVDC. Các tính toán phân tích cụ thể 
được thực hiện ở cả chế độ xác lập và chế độ quá độ 
để đánh giá những ưu và nhược điểm của các công 
nghệ truyền tải.
2. Phương pháp nghiên cứu
Hình 1. Chi phí đầu tư xây dựng đường dây HVAC 
và HVDC
Hình 1 cho thấy sự thay đổi chi phí của 
truyền tải xoay chiều và truyền tải một chiều với 
cùng khoảng cách. HVAC có xu hướng tiết kiệm 
hơn so với HVDC với khoảng cách nhỏ hơn khoảng 
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 21/Tháng 3 - 2019 Journal of Science and Technology 31
cách tới hạn nhưng lại đắt tiền hơn với khoảng 
cách xa hơn. Khoảng cách tới hạn có thể khác nhau 
trong khoảng từ 400-800km đối với đường dây 
trên không (tùy thuộc vào điện áp truyền tải). Với 
hệ thống dùng cáp khoảng cách tới hạn nằm trong 
khoảng 25-50km.
Hình 2 mô tả sơ đồ kết nối hệ thống với 
mạng lưới trên bờ bằng các ngầm một chiều.
Hình 2. Sơ đồ nguyên lý kết nối hệ thống
Hệ thống truyền tải HVDC sử dụng các bộ 
biến đổi điện tử công suất lớn ở hai đầu cáp truyền 
tải. Hiện nay công nghệ truyền tải HVDC được sử 
dụng rộng rãi trong:
Hệ thống điện có liên kết yếu hoặc hệ thống 
điện tách biệt;
Hệ thống trao đổi công suất liên khu vực hay 
liên kết giữa các quốc gia;
Kết nối với các phụ tải tách biệt ở khoảng 
cách xa như các giàn khoan dầu, nhà giàn hay các 
trạm khai thác khí đốt;
Kết nối với các hệ thống điện gió ngoài khơi 
xa bờ.
Trong số đó, các bộ biến đổi điện tử công suất 
có thể được chia làm 2 loại: bộ chuyển mạch nguồn 
dòng (LCC) và bộ chuyển mạch nguồn áp (VSC).
Hình 3. Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi HVDC
Thiết bị biến đổi nguồn dòng LCC chủ yếu 
sử dụng các van điện tử Thyristor có khả năng 
truyền tải công suất lên đến hàng trăm MW, hệ 
thống biến đổi công suất lớn này cần phải trang bị 
thêm các bộ lọc sóng hài.
Thiết bị biến đổi nguồn áp VSC có thể điều 
khiển đồng thời công suất tác dụng và công suất 
phản kháng và sinh ra ít sóng hài hơn ở phía xoay 
chiều. Tuy nhiên nhược điểm chính của VSC là 
công suất truyền tải bị giới hạn, ngay cả khi quá 
dòng trong thời gian ngắn cũng có thể dẫn tới quá 
nhiệt và phá hủy hoàn toàn các phần tử chuyển 
mạch. Trong trường hợp hệ thống có sự cố ngắn 
mạch, điện áp bị giảm đột ngột, các van công suất 
được điều khiển để duy trì công suất truyền tải trên 
đường dây một chiều là định mức.
Cấu trúc cơ bản của hệ thống HVDC có thể 
được chia làm 3 phần: Chỉnh lưu, Nghịch lưu và 
Cáp truyền tải. Hệ thống chỉnh lưu và nghịch lưu 
công nghệ LCC sử dụng Thyristor được mô tả như 
trong Hình 4.
Hình 4. Hệ thống chuyển mạch LCC
Công suất tác dụng và phản kháng của bộ 
biến đổi HVDC được xác định từ dòng điện và 
điện áp đầu vào phía xoay chiều AC, các giá trị này 
được tính toán thông qua module Power flow của 
phần mềm PSS/E. Điện áp một chiều của hệ thống 
HDVC được xác định theo phương trình (1):
.cosU N U I3 6
3
2
X I
Rdc c
cc dc
cc dcr ra= - -
d n
 (1)
trong đó: α là góc điều khiển các van bán dẫn công 
suất, α được xác định thông qua chế độ điều khiển. 
Góc trùng dẫn µ cũng được xác định thông qua góc 
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology32 Khoa học & Công nghệ - Số 21/Tháng 3 - 2019
mở α theo phương trình (2)
cc U
I X2
ar os cos
dc cc an a= - -d n (2)
Công suất tác dụng, công suất phản kháng 
và hệ số công suất sau đó được tính toán theo các 
phương trình (3), (4) và (5)
P X
N U
4
3
cos 2 cos2AC
cc
c
2
r a n a= - +_ _` i ij (3)
Q X
N U
4
3
2 sin 2 sin 2AC
cc
c
2
r n a n a= + - +_ _`a i ijk (4)
tan
sin sin
2 2
2 2 2
cos cos
{
a n a
n a n a
=
- +
+ - +_ _ _`
_ _`i i ij
i ij
 (5)
. cos cosU N U
2
3 6
30 30dc c r a d= - + +_ _`d i ijn 
(6)
. cos cosI
X R
U
6
9
2
1
30 30dc
cc cc
r
a d=
+
- - +a _ _`k i ij
(7)
.cosU N U I3 6 30
9
2
X I
R
d
dc c
cc c
cc dcr ra= - - -_d i n
 (8)
cc U
I X
30
6
30ar os cos
dc ccc a= - - -_d i n (9)
tan
sin sin
2 30 2 30
2 2 30 2
cos cos
{
a c
n a c a
=
- - +
+ - - +_ _` _`
_` _`i ij ij
ij ij
(10)
P X
N U
4
3
30 30cos 2 cos2AC
cc
c
2
r a c= - - +_` _a ij ik 
(11)
Q X
N U
4
3
30 302 sin 2 sin 2AC
cc
c
2
r n a c= + - - +_` _`a ij ijk
 (12)
3. Sơ đồ mô phỏng
PSS/E là một phần mềm phân tích được sử 
dụng rộng rãi cho các mô phỏng hệ thống điện. 
Công cụ tính toán phân bố công suất của PSS/E 
chỉ có thể được sử dụng trực tiếp cho các hệ thống 
xoay chiều. Bài báo này sử dụng phương pháp AC 
tương đương của PSS/E để tính toán lưu lượng tải 
AC nhằm tính toán gián tiếp dòng tải DC của lưới 
điện DC, tức là sử dụng các thành phần AC để xây 
dựng một hệ thống lưới điện DC tương đương và 
tính các dòng điện tương ứng. Các kết quả tính toán 
dòng điện AC tương ứng phản ánh các phân bố 
dòng điện DC của lưới điện DC. Hệ thống điện sử 
dụng để phân tích và mô phỏng được sử dụng từ sơ 
đồ lưới có sẵn và tích hợp thêm các hệ thống điện 
gió được mô phỏng cho các hệ thống điện gió xa bờ. 
Hệ thống mô phỏng được xây dựng gồm có 33 nút 
với các cấp điện áp truyền tải là 500kV và 220kV. 
Thông số của các nguồn phát và các phụ tải được 
cho trong Bảng 1 và Bảng 2.
Bảng 1. Số liệu nguồn phát
TT Bus Nguồn phát P Q
1 101 NUC-A 750 105.8
2 206 URBGEN 800 600
3 211 HYDRO_G 900 600
4 3011 MINE_G 897 170
5 3018 CATDOG_G 100 80
6 90001 CLR_ 1 24 18
7 90002 CLR_ 2 21 15
8 90003 CLR_ 3 24 18
9 90004 CLR_ 4 21 15
10 90005 CLR_ 5 24 18
Bảng 2. Số liệu phụ tải
TT Bus Phụ tải P Q
1 153 MID230 200 100
2 154 DOWNTN 600 450
3 154 DOWNTN 400 350
4 203 EAST230 300 150
5 205 SUB230 1200 700
6 3005 WEST 100 50
7 3007 RURAL 200 75
8 3008 CATDOG 200 75
Hình 5. Sơ đồ mô phỏng kết nối hệ thống
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 21/Tháng 3 - 2019 Journal of Science and Technology 33
4. Kết quả mô phỏng
Kịch bản mô phỏng ổn định động được xem 
xét với giả định ngắn mạch xảy ra trên thanh góp 
220kV tại bus 3004 ở cả hai trường hợp HVAC và 
HVDC. Sự cố xảy ra ở thời điểm giây thứ nhất và 
kéo dài trong khoảng 80ms. Quan sát các kết quả 
mô phỏng ở các hình vẽ ta có một số kết luận về các 
đáp ứng của các máy phát turbine gió, cụ thể là các 
máy phát DFIG.
Hình 6. Dao động điện áp các máy phát điện gió
Hình 7. Điện áp tại các nút trên bờ
Hình 8. Công suất phát của các máy phát điện gió
Các hình 6, 7, 8 mô tả biên độ điện áp của 
các nút ngoài khơi, trên bờ cũng như công suất 
truyền tải trên cáp ngầm xoay chiều AC. Từ Hình 8 
thấy rằng khi xảy ra kích động trong hệ thống, công 
suất truyền tải gần như bị gián đoạn, hay mối liên 
kết giữa hệ thống điện ngoài khơi với hệ thống điện 
chính trên bờ là không còn. Điều này có thể dẫn tới 
sụp đổ hệ thống do gây ra sự cố xếp chồng tức là 
vừa xảy ra ngắn mạch tại một điểm bất kỳ trong hệ 
thống vừa mất công suất của một nhóm hay tổ máy 
phát có công suất lớn. 
Hình 9. Công suất tác dụng và phản kháng trên cáp 
ngầm HVAC
Hình 10. Điện áp các nút trên bờ
Hình 10 mô tả dao động điện áp của các 
nút điện áp điển hình có biên độ rất nhỏ. Điều này 
chứng tỏ là khi xảy ra kích động trong hệ thống, 
công suất trên đường dây liên kết 1 chiều giữa hệ 
thống điện chính và hệ thống điện ngoài khơi dao 
động không đáng kể, dẫn tới điện áp tại các nút phụ 
tải cũng được giữ ổn định.
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology34 Khoa học & Công nghệ - Số 21/Tháng 3 - 2019
Hình 11. Công suất tác dụng và phản kháng trên 
cáp ngầm HVDC
Hình 11 mô tả công suất tác dụng và phản 
kháng trên đường dây HVDC. Như vậy trong khi 
xảy ra kích động, mối liên lạc giữa hệ thống điện 
gió ngoài khơi vẫn được duy trì nhưng công suất 
truyền tải bị suy giảm hơn 50% giá trị, đồng thời lúc 
này công suất phản kháng trên đường dây HVDC 
xấp xỉ bằng không. Chứng tỏ, so với truyền tải bằng 
HVAC, HVDC cho tổn thất công suất thấp hơn, thời 
gian và biên độ dao động điện áp, dao động công 
suất nhỏ hơn so với hệ thống truyền tải bẳng cáp 
HVAC.
Như vậy, với hệ thống truyền tải HVAC khi 
xảy ra các kích động trong hệ thống điện, nó ảnh 
hưởng trực tiếp đến hoạt động bình thường của các 
turbine, nếu sử dụng hệ thống HVDC thì khi tốc độ 
gió thay đổi, điện áp và công suất có thể được duy 
trì ổn định. Công nghệ truyền tải này cũng có thể cô 
lập một cách hiệu quả các ảnh hưởng khi vận hành 
hệ của thống điện gió tới hệ thống điện chính.
5. Kết luận
Bài báo thảo luận vấn đề truyền tải điện năng 
từ các trang trại phát điện bằng sức gió ngoài khơi 
bằng cáp ngầm xoay chiều và cáp ngầm một chiều. 
Kết quả nghiên cứu cho thấy, giải pháp sử dụng 
HVDC để kết nối các trang trại gió ngoài khơi với 
các lưới hiện có trên bờ đã giảm tổn thất công suất, 
hạn chế dao động công suất. Mục tiêu chính của 
nghiên cứu được thực hiện là đánh giá đáp ứng của 
các máy phát điện gió và các tác động qua lại khi 
xảy ra kích động trong hệ thống có sử dụng các giải 
pháp truyền tải một chiều cao áp HVDC. Điều này 
đặc biệt quan trọng vì theo dự báo, công suất lắp đặt 
của các trang trại phát điện bằng sức gió ngoài khơi 
sẽ chiếm một phần đáng kể trong tương lai. Việc 
mất một lượng năng lượng công suất sau khi xảy ra 
sự cố và thiếu công suất phản kháng trong quá trình 
xảy ra sự cố có thể dẫn đến mất ổn định và sụp đổ 
hoàn toàn hệ thống điện. Bài báo cũng mới chỉ dừng 
lại xem xét ở vấn đề ổn định quá độ trong hệ thống, 
chưa xem xét đến các vấn đề chi phí.
Tài liệu tham khảo
[1]. GWEC - Global Wind Energy Council. www.gwec.net. 
[2]. Manwell, James F., McGowan, Jon G. and Rogers, Anthony L. Wind Energy Explained: Theory, 
Design and Application. s.l.: Wiley, 2002.
[3]. Delivering offshore wind power in Europe - EWEA Report. www.ewea.org. 
[4]. Xu, Lie and Andersen, Bjarne R. Grid Connection of Large Offshore Wind Farms Using 
HVDC.s.l.: Wiley Interscience, 2005.
[5]. Lazaridis, Lazaros P. Economic Comparison of HVAC and HVDC Solutions for Large Offshore 
Wind Farms under Special Considerations of Reliability - Master’s Thesis. s.l.: Royal Institute of 
Technology, 2005.
[6]. Negra, N. Barberis, Todorovic, J. and Ackermann, T. Loss Evaluation of HVAC and HVDC 
transmission solutions for large offshore wind farms. s.l.: Elsevier, 2006.
[7]. Zubiaga, M., et al. Evaluation and selection of AC transmission lay-outs for large offshore wind 
farms. s.l.: IEEE, 2009.
[8]. Wiechowski, W. and Eriksen, P. Selected Studies on Offshore Wind Farm Cable Connections - 
Challenges and Experience of the Danish TSO. s.l.: IEEE, 2008.
[9]. Wright, Sally D., et al. Transmission Options for Offshore Wind Farms in the United States. s.l.: 
AWEA, 2002.
[10]. Kirby, N. M., et al. HVDC Transmission for Large Offshore Wind Farms. s.l.: IEEE, 2002.
[11]. Siemens PTI, User Manual PSS/E V34, 2016.
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 21/Tháng 3 - 2019 Journal of Science and Technology 35
STUDY ON HDVC INTERCONNECTION OF OFFSHORE WIND FARMS
Abstract:
The construction of offshore wind farms is the next step for wind power use in coastal countries around 
the world. The connection between offshore wind farms and onshore grids with a distance of more than 50 
km over capacity of offshore 100 MW installed, the HVDC (High Voltage Direct Current) technology has 
more benefits than the Transmission technology by AC current HVAC (High Voltage Alternating Current). 
This paper presents the connection of offshore systems to onshore grids via HVDC transmission technology. 
Specific studies are carried out in both the steady-state mode and the transient mode of power system.
Keywords: Offshore wind power, HVDC, Line commutated converters, Voltage source converters.