Dòng điện siêu cao áp một chiều giúp phát huy tiềm năng thủy điện

Công nghệ  mới về truyền tải điện siêu cao áp một chiều (ultra high voltage direct current - UHVDC) giúp các công ty điện lực phát huy tiềm năng mênh mông của thuỷ điện, vì nó cho phép tạo ra các “siêu xa lộ” có khả năng đưa lượng điện năng khổng lồ vượt qua những khoảng cách rất lớn. 

Tuy nhiên cho đến nay, vẫn có trở ngại đáng kể ngăn cản việc phát huy tiềm năng thuỷ điện, đó là khoảng cách. Những nguồn thuỷ năng tốt nhất nhiều khi ở cách xa các trung tâm dân cư và công nghiệp hàng mấy trăm kilômét, là nơi nhu cầu điện năng tăng trưởng mạnh nhất. Cho tới tận gần đây, đưa điện năng từ các nhà máy điện vượt qua khoảng cách trên 1.000 km hoặc xa hơn vẫn là bất khả thi về kinh tế bởi tổn hao truyền tải là quá lớn.

Công nghệ  UHVDC hứa hẹn làm thay đổi tất cả những vấn  đề đó, vì nó cho phép truyền tải có  hiệu quả điện năng đi xa tới 3.000 km.

Nâng điện áp lên cao hơn nữa để giảm tổn hao

Công nghệ UHVDC nâng điện áp lên một bước đáng kể, từ mức HVDC tiêu chuẩn ±500 kV được sử dụng ở châu Á và đã được đưa vào áp dụng trên hai thập kỷ nay, lên ±800 kV, và giảm tổn thất truyền tải từ mức điển hình là 10% xuống còn 7%.

Công nghệ  UHVDC cho phép truyền tải có  hiệu quả điện năng đi xa tới 3.000 km

Việc cắt giảm mạnh tổn thất truyền tải này – tương đương 192 MW đối với đường dây công suất 6.400 MW, tức là bằng 96 chiếc tuabin gió công suất 2 MW - khiến cho việc sản xuất điện năng tại những vùng xa xôi hẻo lánh ở Trung Quốc, Ấn Độ, Braxin và châu Phi, giờ đây đã trở thành khả thi. Đó là những vùng có các nguồn thuỷ điện khổng lồ cho đến nay vẫn chưa khai thác được.

Các nước chính được hưởng lợi từ công nghệ UHVDC sẽ là Trung Quốc và Ấn Độ bởi vì các quốc gia này đang phải vật lộn để đảm bảo nguồn năng lượng tin cậy. Ấn Độ có kế hoạch trong 10 năm tới sẽ xây dựng 5 đường dây UHVDC, công suất truyền tải mỗi đường dây từ 6.000 đến 8.000 MW. Trung Quốc đang có kế hoạch trong 10 năm tới sẽ xây dựng mỗi năm một đường dây UHVDC, công suất mỗi đường dây từ 5.000 đến 6.400 MW. Đường dây đầu tiên dự kiến sẽ đưa vào vận hành thương mại vào năm 2011. Ngoài ra ở Braxin và Nam châu Phi cũng có kế hoạch xây dựng các đường dây UHVDC 800 kV.

Sử dụng công nghệ UHVDC hứa hẹn những lợi ích lớn lao. Một mạch dẫn UHVDC 6.400 MW có thể cung cấp đủ điện đáp ứng nhu cầu cho khoảng 50 triệu người dân Ấn Độ, hoặc 14 triệu người dân Trung Quốc, nếu tính theo mức tiêu thụ trung bình đầu người ở các quốc gia này.

Hơn nữa, UHVDC tiết kiệm đáng kể về tài chính, khoảng 30%, so với công nghệ 500 kV một chiều hoặc công nghệ 800 kV xoay chiều truyền thống. Sở dĩ tiết kiệm được như vậy là vì giảm được tổn hao đường dây và từ đó tiết kiệm được cho trạm biến đổi điện và thiết bị đóng cắt điện xoay chiều có liên quan.

Một khoản tiết kiệm nữa không thể bỏ qua đối với UHVDC, đó là nhờ giảm đáng kể nhu cầu về hành lang tuyến, bởi vì khi đó có thể giảm xuống chưa bằng một nửa so với các phương pháp truyền tải điện thay thế. Với UHVDC, chiều rộng của tuyến đường dây (tức là hành lang truyền tải) là nhỏ nhất. Để truyền dẫn cùng một công suất, các phương pháp truyền tải truyền thống sẽ yêu cầu từ hai đường dây trở lên, hành lang truyền tải sẽ rộng hơn rất nhiều.

Khác với đường dây truyền tải điện xoay chiều, đường dây HVDC có trường từ hầu như không dao động. Điều đó có nghĩa là đường dây HVDC, khác với đường dây xoay chiều cùng cấp, có thể dễ dàng đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt hơn về trường từ (<0,4 μT) được áp dụng ngày càng rộng rãi tại các thị trường phát triển.

Cần lưu ý rằng cũng có thể nâng công suất truyền tải điện xoay chiều bằng cách sử dụng dòng công nghệ khác mang tên FACTS (flexible AC transmission system - hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt). Các công nghệ này có thể sử dụng để duy trì hoặc nâng cao độ ổn định điện áp và độ tin cậy lưới điện, giảm tổn thất chung về điện năng.

Nỗ lực lớn trong nghiên cứu

Mức tăng đáng kể gần đây nhất về điện áp truyền tải HVDC được thực hiện cách đây gần một phần tư thế kỷ, khi mà ABB xây dựng đường dây truyền tải điện áp danh định 600 kV cho nhà máy thuỷ điện Itaipu ở Braxin. Vì sao phải mất nhiều thời gian đến như vậy để đưa điện áp lên thành 800 kV? Đó là vì bước phát triển này đòi hỏi phải tiếp tục nghiên cứu cơ bản trên nhiều lĩnh vực. Chính sự quan tâm trở lại tới UHVDC như một phương pháp truyền tải điện thương mại trong những năm gần đây đã đem lại động lực mới cho việc tiếp tục nghiên cứu.

Lĩnh vực thứ nhất đòi hỏi nghiên cứu cơ bản là phát triển vật liệu cách điện mới dùng cho môi trường ngoài trời. Sử dụng điện áp cao hơn đòi hỏi khoảng cách lớn hơn giữa vật mang điện áp và đất để cách ly các phần mang điện.

Một mạch dẫn UHVDC 6.400 MW có thể  đáp ứng đủ nhu cầu điện cho khoảng 14 triệu người dân Trung Quốc

Trong vòng 15 năm qua, chúng ta đã chứng kiến sự chuyển đổi từ vật liệu sứ đã tồn tại hàng thế kỷ sang vật cách điện mới gốc polyme, chủ yếu là cao su silicon, với những đặc tính rất có lợi cho cách điện ngoài trời. Cần phải có các phương pháp đo tinh vi sử dụng công nghệ laser tiên tiến để có thể xác định các đặc tính của các vật liệu và hệ thống cách điện.

Thứ hai, ngành chế tạo cần đến những công cụ thiết kế bằng máy tính tiên tiến hơn để tiến hành các phép tính ba chiều về trường, chủ yếu sử dụng trong thiết kế máy biến áp. Và thứ ba, cần có các hệ thống điều khiển tiên tiến để khống chế toàn bộ hệ thống lắp đặt.

Tăng cường phát triển sản phẩm

Với các thành phần nghiên cứu cơ bản đã hoàn thành, trong hai năm qua, một dự án phát triển sản phẩm về mọi mặt đã được tiến hành với mục tiêu biến ý tưởng HVDC ±800 kV trở thành hiện thực. Phần lớn công tác phát triển này đã được thực hiện tại cơ sở nghiên cứu – phát triển của ABB tại Thụy Điển.

Một đường truyền tải công suất lên tới 9.000 MW chỉ gồm hai dây đi trên không, rồi đây sẽ có thể cấp nguồn phục vụ hàng triệu người, đương nhiên yêu cầu độ tin cậy rất cao. Điều này đòi hỏi thiết kế trạm biến đổi điện hoàn toàn mới, thời gian trung bình giữa hai lần sự cố là 25 năm. Để đạt được độ khả dụng cao như vậy, người ta phân đoạn triệt để mạch chính cũng như các hệ thống phụ trợ. Ngoài ra, tất cả các hệ thống điều khiển và bảo vệ đều được làm kép, các hệ thống phụ trợ như acqui sự cố và hệ thống điện tự dùng cũng vậy.

Chương trình phát triển thiết bị trạm biến đổi điện có thể chia thành hai lĩnh vực: Thiết bị có phân bố điện áp một chiều theo cấp hoặc tuyến tính; thiết bị cách điện bằng dầu/giấy và phân bố điện áp phi tuyến.

Đối với thiết bị chủng loại thứ nhất, trong đó có các thyristo, có thể tăng kích cỡ lên theo tỉ lệ bởi vì điện áp phân bố tuyến tính. Thiết bị thuộc chủng loại thứ hai, bao gồm cách điện xuyên và máy biến áp biến đổi điện, đòi hỏi đầu tư nhiều cho nghiên cứu và phát triển, và phải được thử nghiệm toàn diện.

Tất cả các thiết bị cao áp kiểu mới chịu tác dụng của điện áp một chiều đều đã được phát triển và sử dụng những vật liệu cách điện polyme mới được phát triển. Đó là các bộ phân áp, thiết bị đóng cắt mạch vòng, tụ triệt nhiễu rađio, dao cách ly và cách điện đứng.

Một trong những mục tiêu chính của dự án là phát triển máy biến áp và cách điện xuyên dùng cho điện áp 800 kV, trên cơ sở sử dụng nghiên cứu cơ bản. Người ta đã chế tạo và thử nghiệm điển hình các cách điện xuyên nguyên mẫu. Đối với máy biến áp, người ta đã chế tạo vật mẫu để mô phỏng các bộ phận của máy biến áp chịu tác động của điện cao áp một chiều.

Các tiêu chí thiết kế áp dụng cho khe hở không khí cũng đã được xác lập sau khi tiến hành thử nghiệm toàn diện ở những điện áp cực kỳ cao chưa từng được sử dụng. Khi thử nghiệm, người ta cho phóng điện ở điện áp trên 2.000 kV, tạo ra tia lửa điện dài hơn 10 m.

Để đáp ứng yêu cầu về độ tin cậy cực kỳ cao của UHVDC, các hệ thống điều khiển và bảo vệ đã được phát triển thêm một bước. Các hệ thống này dựa trên hệ thống Mach2 đã được thử thách của ABB. Ngoài ra, một thyristo và van thyristo mới cũng đã được phát triển để chịu được điện áp và dòng điện tăng cao.

Thử nghiệm đặc biệt về độ bền

Tất cả các thiết bị quan trọng đều phải qua một chương trình thử nghiệm toàn diện được thực hiện tại một trạm thử nghiệm đặc biệt về độ bền do ABB xây dựng. Các thử nghiệm điện áp tăng cao kéo dài trên một năm, nhằm kiểm tra các đặc tính dài hạn của các bộ phận hợp thành được sử dụng.

Có thể xác định rõ các điều kiện vận hành đối với các trạm biến đổi điện UHVDC, tuy nhiên các điều kiện vận hành của đường dây tải điện UHVDC có thể khác nhau rất nhiều theo chiều dài đường dây. Nói chung tuyến đường dây dài 2.000 – 3.000 km sẽ đi qua đủ mọi địa hình, trong đó có những vùng cao và có mức ô nhiễm cao. ABB đang tập hợp các dữ liệu về ô nhiễm từ các trạm biến áp hiện có ở vùng cao có thể sử dụng trong thiết kế các trạm biến đổi điện và đường dây truyền tải UHVDC.

Trung Quốc là một ví dụ, mười năm trở lại đây, kinh tế Trung Quốc có mức tăng trưởng đầy kịch tính dẫn đến tốc độ  tăng trưởng tiêu thụ điện hằng năm ở mức hai con số liên tục. Để đáp ứng mức tăng trưởng liên tục về nhu cầu điện năng, chính phủ Trung Quốc tung ra chương trình phát triển tiềm năng thuỷ điện khổng lồ còn chưa khai thác ở miền Tây Nam. Các trung tâm phụ tải (ví dụ như Bắc Kinh, Thượng Hải và Quảng Châu) lại nằm trên vùng bờ biển miền Đông, do vậy cần xây dựng các hệ thống truyền tải điện lớn đưa điện năng vượt qua những khoảng cách lớn.

Công nghệ UHVDC nâng điện áp từ mức HVDC tiêu chuẩn ±500 kV được sử dụng ở châu Á và đã được đưa vào áp dụng trên hai thập kỷ nay, lên ±800 kV

Số lượng và qui mô phi thường của các dự án này khiến Trung Quốc trở thành thị trường lớn nhất về truyền tải điện năng, vượt xa các quốc gia khác trên thế giới. Trung Quốc đang lập kế hoạch cho khoảng 10 dự án UHVDC, công suất mỗi dự án 5.000 – 6400 MW, sẽ được đưa vào vận hành trước năm 2020, khoảng cách truyền tải từ 2.000 đến 3.000 km. Dự án đầu tiên dự kiến sẽ vận hành thương mại vào năm 2011

Cột mốc quan trọng trong lĩnh vực chế tạo máy biến áp

Việc triển khai công nghệ UHVDC đã đạt tới cột mốc quan trọng vào cuối năm 2008, khi ABB thử nghiệm thành công máy biến áp 800 kV. Chiếc máy này sẽ được sử dụng cho tuyến truyền tải UHVDC dài 2.000 km, từ nhà máy thuỷ điện Xilodu-Xiangjiaba tới Thượng Hải. Sau khi lắp đặt, đây sẽ là mạch điện liên kết có điện áp cao nhất thế giới với công suất kỷ lục: 6.400 MW, có khả năng cấp điện cho trên 30 triệu người.

Máy biến áp UHVDC này là chiếc đầu tiên trong loạt máy do Tổng công ty lưới điện quốc gia Trung Quốc đặt hàng. Đây là thành phần rất quan trọng trong lưới điện, với nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều thành một chiều và ngược lại, thay đổi điện áp tại mỗi đầu của mạch liên kết UHVDC. Trong số các thách thức, phải kể đến việc nâng điện áp lên tới 800 kV, đòi hỏi nâng cao yêu cầu kỹ thuật đối với cách điện máy biến áp và thiết kế các bộ phận quan trọng, ví dụ như cách điện xuyên.

Việc Trung Quốc quyết định triển khai xây dựng đường dây truyền tải UHVDC, nối vùng Tây Nam Trung Quốc giàu tiềm năng thuỷ điện với các trung tâm phụ tải của đất nước nằm cách 1.500 – 2.000 km về phía Đông, đã khẳng định tính khả thi của công nghệ này. Rõ ràng là tương lai của UHVDC sẽ được đảm bảo bởi nhu cầu nguồn năng lượng tái tạo tiếp tục tăng trưởng.

Theo KHCN Điện