Kinh nghiệm quốc tế về phát triển, vận hành nguồn điện gió trong hệ thống điện quốc gia

Lựa chọn nào để Việt Nam có cơ cấu nguồn điện hợp lý?

Quy hoạch nguồn điện Việt Nam và kinh nghiệm quốc tế về tỷ trọng năng lượng tái tạo

BÀI 1: KINH NGHIỆM QUỐC TẾ VỀ PHÁT TRIỂN, QUẢN LÝ, VẬN HÀNH NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN QUỐC GIA

PGS, TS. NGUYỄN CẢNH NAM [*]

Các nguồn điện năng lượng tái tạo (NLTT) gồm có: Thủy điện, điện mặt trời, điện sinh khối, điện gió, điện địa nhiệt, điện từ các loại năng lượng đại dương (thủy triều, sóng biển, chênh lệch nhiệt đại dương).

Các nguồn NLTT tuy có tiềm năng lớn, song do đặc điểm không ổn định, phụ thuộc nhiều vào điều kiện tự nhiên và thời tiết, nhất là năng lượng gió và mặt trời, công nghệ khai thác trình độ chưa cao (trừ thủy điện) và giá thành tổng thể còn cao, cho nên sản lượng điện NLTT tuy có sự gia tăng mạnh nhưng còn hạn chế.

Sau đây là nhóm giải pháp/kinh nghiệm về phát triển, quản lý, vận hành hiệu quả nguồn điện gió trong hệ thống điện quốc gia của các nước trên thế giới:

1/ Không ngừng cải tiến hệ thống điện gió và nâng công suất, hiệu suất tua bin điện gió:

Vào những năm 1980, mỗi tháp điện gió có công suất khoảng 50 kW - 100 kW, sang thập niên 90 tăng lên 300 kW - 500 kW, thập niên đầu thế kỷ 21 tăng lên 1,5 MW - 3,5 MW, hiện nay tua bin gió bố trí trên mỗi tháp có công suất đến 9,5 MW - 10 MW. Các hãng sản suất máy phát điện gió đang cố gắng mở rộng dải vận hành của tua bin gió để máy có thể hoạt động trong dải điều kiện gió rộng hơn. Nhiều nỗ lực đang được triển khai để nâng cao độ ổn định của điện gió là tìm cách biến điện năng từ tua bin gió thành dạng năng lượng khác có thể dự trữ và sử dụng những khi cần thiết.

Một hướng khác là xây dựng số lượng đủ lớn trạm điện gió tại các khu vực khác nhau (kể cả ngoài đại dương) để có được đủ nguồn điện đáp ứng nhu cầu của lưới truyền tải, cho dù một số trạm không hoạt động (do đang trong thời gian bảo trì, hoặc do điều kiện gió không nằm trong dải thích hợp để vận hành tua bin).

2/ Đảm bảo chất lượng điện năng:

Mặc dù công nghệ điện gió đang tiến triển, nhưng vẫn còn một vấn đề đối với nguồn điện năng này, đó là ảnh hưởng của nó đối với chất lượng điện của lưới truyền tải và các công trình đấu nối với lưới điện. Trong phần lớn các trường hợp, các vùng khai thác năng lượng gió đều rất rộng và được kết nối với các hệ thống truyền tải cao áp thông qua trạm biến áp biến đổi điện năng từ điện áp thấp lên điện áp cao, hoặc siêu cao của lưới truyền tải. Điều này cho phép các sơ đồ bảo vệ rơle trạm, thiết bị tự động hoá và thiết bị trạm điều khiển và bảo vệ khỏi các thăng giáng tần số, điện áp, cũng như cung cấp đầu ra ổn định, đồng bộ với lưới truyền tải. Một số nhà đầu tư xây dựng lại có xu hướng chia ra thành nhiều trại điện gió công suất nhỏ để có thể đấu nối với hệ thống phân phối nhằm sử dụng ngay trên địa bàn. 

Các vấn đề và giải pháp cụ thể là: 

Thứ nhất: Khi đấu nối trực tiếp tua bin gió vào HTĐ sẽ xuất hiện dòng quá độ gây ra nhiễu loạn cho lưới điện và làm tăng cao mô men xoắn cho hệ thống truyền động. Để khắc phục tình trạng này, người ta lắp vào các máy phát điện gió hiện đại bộ hạn chế dòng điện, hoặc bộ khởi động êm trên cơ sở công nghệ bán dẫn thyristors để hạn chế dòng điện quá độ ở mức thấp hơn hai lần dòng định mức của máy phát. Bộ thiết bị này cản dịu hiệu quả mô men xoắn đỉnh của máy phát và giảm tải cho bộ truyền động. Trong quá trình vận hành bình thường, thiết bị này được nối tắt tự động bởi công tắc ngắn mạch để giảm tổn thất công suất trong các linh kiện bán dẫn và giảm công suất nhiệt của thiết bị cản dịu.

Thứ hai: Tăng điện áp: Một tua bin gió hiện đại thường được trang bị một máy biến thế nâng điện áp máy phát thường từ dưới 1 kV lên đến khoảng 20, hoặc 30 kV để đấu nối vào lưới điện. Trong trường hợp nhà máy điện có công suất lớn và ở cách xa hệ thống điện thì lắp đặt các máy biến thế nâng từ cấp trung thế lên cao thế rồi đấu vào đường dây cao thế truyền tải công suất của nhà máy điện gió vào HTĐ.

Thứ ba: Về xử lý biến thiên điện áp: Ở mức độ cục bộ, biến thiên điện áp chủ yếu là vấn đề liên quan tới máy phát điện gió. 

- Giữ điện áp trạng thái ổn định: Việc vận hành máy phát điện gió có thể ảnh hưởng đến điện áp trong lưới điện mà nó đấu vào. Vì vậy, trong trường hợp cần thiết phải thực hiện các giải pháp thích hợp để tua bin gió không làm cho biên độ điện áp vượt ra ngoài giới hạn yêu cầu.                  

- Khắc phục thăng giáng điện áp: Thăng giáng điện áp có thể gây ra tia sáng chập chờn (light flicker) tùy thuộc vào biên độ và tần số của dao động. Có hai loại chập chờn điện áp liên quan tới tua bin gió, đó là chập chờn trong vận hành liên tục và chập chờn do đóng cắt tua bin và tụ bù. Giới hạn cho phép của chập chờn thường do các công ty điện lực tự quy định. Để ngăn ngừa phát sinh chập chờn điện áp do suy giảm chất lượng điện áp, các đơn vị phát điện cần có giải pháp để không gây ra nhấp nháy điện áp quá mức.

Thứ tư: Khắc phục sóng hài: Nhiễu sóng hài là một hiện tượng liên quan đến sự méo sóng hình sin cơ bản và phát sinh do đặc tính phi tuyến của các thiết bị điện. Sóng hài làm tăng dòng điện, tăng tổn thất và có khả năng làm cháy thiết bị cũng như gây ảnh hưởng xấu tới mạng thông tin. Trong các tua bin gió hiện đại đều được trang bị các thiết bị lọc sóng hài đến giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn.

Thứ năm: Một trong các vấn đề về chất lượng điện xảy ra đối với tua bin gió là tác động của chúng lên sơ đồ các máy biến áp 115 kV/69 kV vận hành song song trong trạm trung gian. Dòng công suất phản kháng lên thanh cái 115 kV khá lớn, gây ảnh hưởng tới việc chuyển nấc của bộ điều chỉnh điện áp khiến chúng chuyển sai tới trên ba nấc. Sau khi xem xét sự hoạt động của các bộ điều chỉnh điện áp người ta phát hiện công suất phản kháng từ các tua bin gió đi vào thanh cái và qua các máy biến áp 115 kV/69 kV, tại đó các bộ điều chỉnh điện áp gặp trở kháng tương đối lớn, gây ảnh hưởng tới sơ đồ bộ điều chỉnh điện áp. Vấn đề này đã được khắc phục bằng cách chuyển sơ đồ song song thành sơ đồ chủ/tớ (master/slave scheme), còn gọi là sơ đồ chốt nấc (lock-step scheme).

Với thay đổi này, máy biến áp chủ phản ứng với thay đổi trên thanh cái và sau đó thông tin cho máy biến áp kia khi nào chuyển nấc. Sau khi thực hiện thay đổi, các máy biến áp tiếp tục vận hành song song, nhưng hiện tượng kẹt bộ điều chỉnh điện áp giảm nhẹ đi nhiều.

Thứ sáu: Vấn đề ảnh hưởng của điện áp cao và hiện tượng nháy của trại điện gió khiến rơle của các hộ tiêu thụ đấu nối vào cùng mạch điện tác động làm cắt mạch của họ. Một biện pháp đã thực hiện để khắc phục vấn đề này là hiệu chỉnh rơle khống chế công suất phản kháng và đặt dung sai chặt hơn. Kết quả là tua bin gió vận hành với hệ số công suất được duy trì gần như bằng 1.

Một biện pháp khác là hiệu chỉnh chế độ đặt của bộ điều chỉnh điện áp của máy biến áp 115 kV/34,5 kV. Việc hiệu chỉnh bao gồm thay đổi mức bù sụt áp đường dây, dải tác động và thời gian phản ứng của bộ điều chỉnh điện áp. Sau khi thực hiện cả hai biện pháp cho thấy điện áp nằm trong giới hạn điện áp theo tiêu chuẩn ANSI.

3/ Vận hành, điều khiển nhà máy điện gió và đảm bảo độ ổn định hệ thống điện:

- Điều chỉnh công suất tác dụng (tần số): Công suất tác dụng (P) của tua bin gió có thể điều chỉnh giảm, nhưng khó có thể điều chỉnh tăng vì bị hạn chế bởi tốc độ gió. Song, nếu để tua bin gió làm việc ở mức độ thấp hơn công suất khả dụng của nó (dành một tỷ lệ nhất định cho dự phòng quay) thì có thể điều chỉnh tăng nhưng sẽ bị thiệt về sản lượng.

- Bù công suất phản kháng: Ở chế độ không tải, máy phát điện gió tiêu thụ một lượng công suất phản kháng (Q) bằng khoảng 35 ÷ 40% công suất tác dụng định mức, và tăng lên tới khoảng 60%. Công suất phản kháng là một trong các nguyên nhân chủ yếu gây nên sự không ổn định điện áp trong lưới điện, liên quan tổn thất điện áp trên các đường dây truyền tải. Dòng điện phản kháng cũng tham gia vào tổn thất công suất trong hệ thống.

Đối với các nhà máy điện gió công suất lớn, hiện đại, việc bù công suất phản kháng được thực hiện thông qua các thiết bị bù tĩnh có điều khiển như SVC (Static Var Compensator) hoặc STATCOM (Static Synchronous Compensator).               

- Đảm bảo độ ổn định: Đây là vấn đề rất quan trọng khi đấu nối nhà máy điện gió có công suất đủ lớn (khoảng trên 10% công suất của HTĐ) vào HTĐ. Trong trường hợp xảy ra sự cố khiến toàn bộ nhà máy điện gió khi nó đang làm việc với công suất định mức, đột ngột bị tách ra thì HTĐ sẽ mất ổn định do sụt giảm điện áp và tần số, ngoại trừ trong HTĐ có đủ lượng công suất “dự phòng quay” thay thế trong khoảng thời gian rất ngắn. Vì vậy, các máy phát tua bin gió hiện đại yêu cầu phải có khả năng “vượt cạn” trong suốt thời gian nhiễu loạn và sự cố để tránh bị tách ra hoàn toàn khỏi lưới điện.

Để duy trì ổn định HTĐ, cần phải phải đảm bảo rằng, các tua bin gió có khả năng khôi phục hoạt động bình thường một cách thích hợp và trong khoảng thời gian thích hợp. Việc sử dụng các thiết bị bù tĩnh như SVC, STATCOM để hỗ trợ duy trì điện áp HTĐ là một giải pháp hữu hiệu đáp ứng yêu cầu này.

Các tua bin gió sử dụng hệ thống mạch góp 34,5 kV và được đấu nối với lưới truyền tải qua cầu dao phụ tải chân không, tự động đóng trở lại (vacuum recloser) có rơle điều khiển bảo vệ quá dòng. Hệ thống SCADA (giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu) của trại điện gió có khả năng ngắt trại điện gió khỏi lưới truyền tải khi hệ thống truyền tải không hoạt động do sự cố, hoặc điều kiện bất lợi khác. Các tua bin gió có rơle bảo vệ thấp áp, điều khiển công suất phản kháng và hòa đồng bộ.

Kỳ tới: Kinh nghiệm quốc tế về phát triển, quản lý, vận hành nguồn điện mặt trời và nhóm giải pháp chung cho các nguồn điện NLTT khác

[*] HỘI ĐỒNG KHOA HỌC TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM; KHOA QUẢN LÝ CÔNG NGHIỆP VÀ NĂNG LƯỢNG - EPU

Tài liệu tham khảo:

 [1] Nguyễn Mạnh Hiến: Những thách thức khi đấu nối nhà máy điện gió vào hệ thống điện. https://nangluongsachvietnam.vn/d6/vi-VN/news/Nhung-thach-thuc-khi-dau-noi-nha-may-dien-gio-vao-he-thong-dien-6-17-1440.

[2] Nguyễn Cảnh Nam: Năng lượng tái tạo ‘phi thủy điện’ thế giới và vấn đề tham khảo cho Việt Nam. NangluongVietnam Online 06:47 |13/07/2020.

[3] Nguyễn Huy Hoạch: Phát triển điện mặt trời kết hợp công nghệ lưu trữ năng lượng ở Việt Nam. NangluongVietnam Online 08:31 |07/01/2021.

[4] Nguyễn Cảnh Nam: Toàn cảnh ngành điện thế giới và những điều suy ngẫm cho Việt Nam. NangluongVietnam Online 14:32 |25/08/2020, 05:56 |28/08/2020, 07:08 |01/09/2020.

[5] Trần Huỳnh Ngọc, Lê Thanh Nghị: Tích hợp điện mặt trời vào lưới điện. NangluongVietnam Online  07:22 |18/02/2021.

[6] Ứng dụng Pin Vanadium phục vụ sản xuất nông nghiệp và an ninh năng lượng. KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ Thứ Sáu, 05/07/2019 10:47:00 +07:00.

[7] Các loại pin phổ biến được sử dụng trong năng lượng mặt trời + lưu trữ. https://lithaco.vn/cac-loai-pin-pho-bien-duoc-su-dung-trong-nang-luong-mat-troi-luu-tru/.

[8] H. Asano, K. Yajima and Y. Kaya, "Influence of photovoltaic power generation on required capacity for load frequency control," in IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 11, no. 1, pp. 188-193, March 1996, doi: 10.1109/60.486595.

[9] Chandler, “H. Harnessing Variable Renewables - A Guide to the Balancing Challenge,” OECD/International Energy Agency 2011, ISBN 978-92-64-11138-7.