|
Các thử nghiệm
toàn diện được tiến hành ở điện áp cực cao chưa từng được sử dụng. Trong
ảnh là tia lửa phóng điện ở điện áp trên 2.000 kV, chiều dài lên tới
trên 10 m. |
Khai thác năng lượng từ các
nguồn tái tạo, từ sức mạnh tự nhiên của dòng nước, là một trong các niềm
hy vọng mà thế giới, (đặc biệt là Trung Quốc và Ấn Độ), đang đặt vào
nhằm đáp ứng nhu cầu điện năng trong tương lai, khi mà việc giảm sự phụ
thuộc vào nhiên liệu hoá thạch và cắt giảm phát thải cacbon điôxit ngày
càng được chú trọng hơn.
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%.
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.
Máy
biến áp UHVDC 800 kV của ABB là thành phần chính của mạch liên kết có
khả năng đưa lượng công suất khổng lồ vượt qua những khoảng cách cực kỳ
lớn.
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.
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.
Dẫn đầu là Trung Quốc
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. Trong thập kỷ qua, tổng công suất lắp đặt của Trung Quốc đã tăng
gấp hơn hai lần và hiện nay đã lên tới 650 GW. Chính phủ Trung Quốc lập
kế hoạch đạt 1.000 GW công suất lắp đặt vào năm 2020.
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.
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.
Các dự án UHVDC 800 kV đã được lên kế hoạch sẽ đưa vào vận hành trước năm 2015 ở Trung Quốc.
Nhà
máy thuỷ điện Xilodu-Xiangjiaba nằm cách đập Tam Hiệp 1.000 km về phía
thượng lưu theo kế hoạch sẽ có công suất 18.200 MW, gồm 14 tổ máy với
công suất đơn vị là 700 MW ở phía tả ngạn và 12 tổ máy với công suất đơn
vị là 700 MW ở phía hữu ngạn. Để đưa lượng điện năng này về các trung
tâm phụ tải miền Đông và miền Nam Trung Quốc sẽ cần có 4 mạch liên kết
HVDC và một số đường dây 500 kV xoay chiều.
Một
trong các mạch liên kết điện một chiều này sẽ được sử dụng để truyền
tải điện năng về Thượng Hải và củng cố sự liên kết giữa lưới điện vùng
Hoa Trung (mà nhà máy thủy điện nói trên sẽ được kết nối đồng bộ vào) và
lưới điện miền Hoa Đông. Điện năng sẽ được truyền tải tới miền Hoa Đông
vào mùa nước cao, và tới miền Hoa Trung vào mùa nước thấp.
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.