Công nghệ HVDC
HVDC đã có lịch sử phát triển lâu dài từ khi Thomas Alva Edison (1847-1931) phát minh ra điện một chiều, hệ thống truyền tải điện đầu tiên là hệ thống dòng điện một chiều [1]. Tuy nhiên, ở điện áp thấp, công suất truyền tải điện một chiều không thể đi quá xa. Đến đầu thế kỷ XX, với sự phát triển của công nghệ máy biến áp và động cơ cảm ứng, truyền tải điện xoay chiều dần trở nên phổ biến và là lựa chọn số 1 của các quốc gia. Năm 1929, các kỹ sư của Công ty ASEA (Allmana Svenska Electriska Aktiebolaget, Thụy Điển) đã nghiên cứu và phát triển hệ thống Valve hồ quang thủy ngân điều khiển mạng lưới đa điện cực sử dụng trong truyền tải điện một chiều với công suất và điện áp cao [2]. Các thử nghiệm đầu tiên được tiến hành tại Thụy Điển và Mỹ năm 1930 để kiểm tra hoạt động của các Valve hồ quang thủy ngân trong quá trình chuyển đổi chiều truyền tải và thay đổi tần số. Sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, nhu cầu điện năng tăng cao đã khuyến khích nghiên cứu truyền tải điện một chiều, nhất là khi phải truyền tải công suất đi xa hoặc bắt buộc phải sử dụng cáp ngầm. Năm 1950, đường dây truyền tải một chiều thử nghiệm điện áp 200 kV, chiều dài 116 km được đưa vào vận hành để tải điện từ Moscow đi Kasira (Liên Xô cũ) [3]. Đường dây HVDC đầu tiên được đưa vào vận hành thương mại năm 1954 tại Thụy Điển, công suất 20 MW, điện áp 100 kV, chiều dài 98 km sử dụng cáp ngầm vượt biển nối giữa đảo Gotland và đất liền [4]. Những năm 1960, hệ thống Valve thể rắn trở thành hiện thực khi được Thyristor ứng dụng vào truyền tải điện một chiều [5]. Năm 1972, các Valves thể rắn đã được ứng dụng lần đầu tiên ở Canada tại trạm Back to Back Eel River công suất 320 MW, điện áp 80 kV [6].
Ngày nay, truyền tải HVDC là phần không thể thiếu trong hệ thống điện của nhiều quốc gia trên thế giới. Truyền tải HDVC luôn được xem xét khi phải tải lượng công suất rất lớn đi khoảng cách xa, liên kết giữa các hệ thống điện không đồng bộ hoặc xây dựng các đường cáp điện vượt biển. Với lượng công suất đủ lớn, khoảng cách đủ xa, HVDC sẽ chiếm ưu thế về chi phí đầu tư và tổn thất truyền tải so với dòng điện xoay chiều 3 pha truyền thống. Theo thống kê của nhóm nghiên cứu, hiện có khoảng 239 dự án HVDC đã và đang được triển khai xây dựng (trong đó có 56 trạm Back to Back, 173 hệ thống tải điện HVDC). Điện áp một chiều cao nhất là tại dự án Xinjiang - Anhui (Trung Quốc) đạt 1.100 kV, chiều dài truyền tải 3.293 km, công suất tải 12 GW [7]. Trong khi châu Âu đưa cấp điện áp một chiều (DC) lớn nhất là 525 kV trở thành tiêu chuẩn thì một số khu vực khác có xu hướng sử dụng điện áp cao hơn như Nam Mỹ 600 kV, Bắc Mỹ 600 kV, châu Á 800-1.100 kV. Vấn đề kinh tế và kỹ thuật là những lý do chính dẫn đến quyết định lựa chọn hệ thống HVDC thay vì sử dụng hệ thống xoay chiều (AC).
Về lý do kinh tế: nghiên cứu cho thấy, suất đầu tư cho đường dây truyền tải DC thấp hơn AC do thiết kế cột của đường dây DC gọn nhẹ hơn. Thông thường khi tính toán kinh tế đối với các dự án truyền tải trên thế giới, suất đầu tư cho đường dây điện DC bằng 0,8 lần đường dây điện AC cùng điện áp, số mạch [8, 9]. Do thiết kế cột gọn nhẹ hơn, số mạch ít hơn và ảnh hưởng của điện trường tĩnh đến sức khỏe con người tương tự như từ trường trái đất và không cần phải tính toán kỹ như đường dây AC nên hành lang tuyến của đường dây DC nhỏ gọn hơn AC, chi phí cho đền bù, giải phóng mặt bằng thấp hơn. Tổn thất công suất trên đường dây truyền tải của hệ thống DC thấp hơn AC cùng điện áp. Theo tính toán lý thuyết, tổn thất công suất của đường dây DC chỉ bằng khoảng 80% đường dây AC khi truyền tải cùng công suất, khoảng cách. Điều này dẫn đến chi phí tổn thất điện năng của hệ thống HVDC thấp hơn hệ thống HVAC [10]. Chi phí đầu tư cho trạm chuyển đổi AC-DC và DC-AC cao hơn rất nhiều so với chi phí xây dựng trạm biến áp AC, chi phí này cần được bù đắp bởi chi phí giảm được của đường dây DC và tổn thất điện năng. Khoảng cách càng dài thì truyền tải DC càng có lợi, từ đó xuất hiện một điểm cân bằng, tại đó 2 hệ thống DC và AC có tổng chi phí tương đương [10]. Điểm cân bằng thường được tính theo chiều dài và có khoảng cách khoảng vài trăm km. Đối với hệ thống HVDC sử dụng cáp vượt biển thì khoảng cách của điểm cân bằng ngắn hơn nhiều so với đường dây trên không.
Về lý do kỹ thuật: đường dây HVDC không có công suất phản kháng, chỉ truyền tải công suất tác dụng nên không gặp các vấn đề về quá tải điện áp trên đường dây dài như hệ thống AC. Hệ thống HVDC có thể giúp trao đổi công suất giữa các hệ thống điện khác nhau về tần số, điều độ vận hành, thậm chí có thể liên kết giữa hệ thống điện mạnh với hệ thống điện yếu hơn nhiều mà không làm ảnh hưởng đến nhau. Đối với những đường cáp biển có chiều dài trên 50 km thì truyền tải bằng đường cáp AC gặp rào cản lớn về ổn định điện áp, thậm chí không khả thi, trong khi đó cáp HVDC có thể truyền tải hàng trăm km. Hệ thống HVDC có khả năng cách ly sự cố rã lưới và tăng độ ổn định hệ thống điện. Sự cố rã lưới năm 2003 ở Bắc Mỹ gây hậu quả rất nghiêm trọng, gây mất điện trên diện rộng và chỉ dừng lại khi gặp đường dây DC liên kết với Canada [11]. Nhiều hệ thống HVDC có khả năng phát ra công suất phản kháng độc lập với công suất tác dụng, do đó có tác dụng như nguồn áp, có thể cấp điện cục bộ cho những hệ thống điện yếu, tăng ổn định hệ thống điện.
Tiềm năng ứng dụng tại Việt Nam
Hiện nay, khu vực miền Bắc và miền Nam vẫn là 2 trung tâm phụ tải quan trọng trong hệ thống điều độ điện quốc gia với công suất đỉnh tương ứng năm 2020 đạt khoảng 18,3 GW và 17,8 GW [12]. Trong dài hạn, 2 vùng này được dự báo tiếp tục tăng trưởng cao và vẫn là 2 trọng tâm phụ tải ở 2 đầu đất nước. Công suất phụ tải đỉnh năm 2045 của mỗi vùng có thể đạt trong khoảng 60-70 GW [13]. Các vùng còn lại thuộc miền Trung (Bắc Trung Bộ, Trung Trung Bộ, Nam Trung Bộ và Tây Nguyên) có phụ tải khá thấp, chỉ chiếm khoảng 18% vào năm 2020 và khoảng 16% năm 2045. Tuy nhiên, đây lại là những khu vực có tiềm năng phát triển năng lượng tái tạo cao như điện gió trên bờ, điện mặt trời và điện gió ngoài khơi. Theo báo cáo triển vọng năng lượng Việt Nam năm 2019 (EOR19) [13], các nguồn nhiệt điện than sẽ có xu hướng phát triển chậm lại, thay vào đó là xu hướng gia tăng các nguồn điện thân thiện môi trường như điện gió, điện mặt trời và tua bin khí. Đến thời điểm này, đang có rất nhiều nhà đầu tư đăng ký và tìm kiếm cơ hội đầu tư vào lĩnh vực phát triển nguồn điện tại Việt Nam. Theo thống kê, khối lượng đăng ký nguồn xây mới giai đoạn 2020-2030 đã lên đến 133 GW, trong đó điện gió 34 GW, điện mặt trời 30 GW và khí hóa lỏng (LNG) 40 GW. Do đó, các nguồn điện trong tương lai tại Việt Nam thường phân bổ tại các vị trí xa trung tâm phụ tải. Do quy mô đăng ký nguồn điện tại một số tiểu vùng khá lớn với nhiều loại nguồn điện khác nhau, dẫn tới xuất hiện nhiều tổ hợp phát triển nguồn (gọi là các kịch bản nguồn), tương ứng với mỗi kịch bản nguồn là các phương án truyền tải. Chương trình phát triển nguồn điện của Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia thời kỳ 2021-2030 có xét đến 2045 (Quy hoạch điện VIII) vẫn đang trong quá trình xây dựng với rất nhiều kịch bản khác nhau và cần tham vấn từ nhiều bên [14]. Do đó, phương án truyền tải liên vùng, liên miền vẫn còn đang để ngỏ. Với giả thiết đầu vào tính toán bối cảnh Việt Nam, khoảng cách càng lớn (trên 400 km), chi phí đầu tư cho hệ thống HVDC càng thấp, có thể thấp hơn đến 32-38% chi phí HVAC ở khoảng cách 2.000 km.
Về tổn thất truyền tải, nếu cùng số mạch thì hệ thống HVDC sẽ có tổn thất thấp hơn. Tuy nhiên, khi nhìn nhận dưới góc độ tổng công suất và khoảng cách truyền tải (số mạch đường dây AC nhiều hơn DC), nếu khai thác hiệu quả đường dây AC bằng cách đặt bù dọc và bù ngang hợp lý thì tổn thất truyền tải của 2 hệ thống HVDC và HVAC là tương đương nhau. Nếu tính toán chi phí hiện đại hóa sau 40 năm vận hành thì hệ thống HVDC có chi phí thấp hơn đáng kể (từ 12 đến 26%) khi khoảng cách truyền tải trên 400 km và công suất truyền tải trên 2.000 MW.
Việc lựa chọn công nghệ truyền tải điện HVDC hay HVAC phụ thuộc rất nhiều vào mục tiêu phát triển năng lượng và triết lý phát triển nguồn điện tại Việt Nam. Công nghệ HVDC là một công nghệ mới tại Việt Nam, cần nhiều thời gian để nghiên cứu phát triển, xây dựng hệ thống tiêu chuẩn và các quy định chuyên ngành. Do đó, việc quyết định sử dụng công nghệ HVDC cần được đưa ra trong một lộ trình phát triển ổn định đối với việc theo đuổi các mục tiêu phát triển năng lượng của Chính phủ và sự kiên định trong chiến lược phát triển nguồn điện. Đặc biệt, hệ thống truyền tải HVDC nếu được xây dựng không chỉ giúp đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia mà còn nâng tầm trình độ khoa học và công nghệ trong lĩnh vực truyền tải điện của Việt Nam.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] G. Adair (1996), Thomas Alva Edison: Inventing the Electric Age, Oxford University Press.
[2] D.A. Woodford (1998), HVDC transmission, Manitoba HVDC Research Centre, pp.400-1619.
[3] V. Behravesh and N. Abbaspour (2012), "New comparison of HVDC and HVAC transmission system", International Journal of Engineering Innovation & Research, 1, pp.300-304.
[4] U. Axelsson, et al. (1999), Gotland HVDC light transmission-world's first commercial small scale DC transmission, Cired Conference.
[5] W. Long and S. Nilsson (2007), "HVDC transmission: yesterday and today", IEEE Power and Energy Magazine, 5, pp.22-31.
[6] N.G. Hingorani (1996), "High-voltage DC transmission: a power electronics workhorse", IEEE Spectrum, 33, pp.63-72.
[7] Z. Liu, et al. (2018), "Research on key technologies in ±1100 kV ultra-high voltage DC transmission", High Voltage, 3, pp.279-288.
[8] K. Meah and S. Ula (2007), Comparative evaluation of HVDC and HVAC transmission systems, IEEE Power Engineering Society General Meeting, pp.1-5.
[9] W. Wei, et al. (2017), "Regional study on investment for transmission infrastructure in China based on the State Grid data", Frontiers of Earth Science, 11, pp.162-183.
[10] R. Rudervall, et al. (2000), "High voltage direct current (HVDC) transmission systems technology review paper", Energy Week, 2000, p.2.
[11] G. Andersson, et al. (2005), "Causes of the 2003 major grid blackouts in North America and Europe, and recommended means to improve system dynamic performance", IEEE Transactions on Power Systems, 20, pp.1922-1928.
[12] EVN (2019), Annual Report 2018.
[13] Bộ Công Thương, Báo cáo triển vọng năng lượng Việt Nam 2019 (EOR2019), Hà Nội.
[14] Thủ tướng Chính phủ (2019), Quyết định số 1264/QĐ-TTg ngày 1/10/2019 phê duyệt nhiệm vụ lập quy hoạch phát triển điện lực quốc gia thời kỳ 2021-2030, tầm nhìn đến năm 2045 (Quy hoạch điện VIII).