Một số giải pháp lựa chọn để cân bằng lưới điện năng lượng tái tạo

Vận hành lưới truyền tải với tích hợp tỷ lệ cao nguồn năng lượng tái tạo Tăng cường tỷ trọng các nguồn năng lượng tái tạo sẽ góp phần cho ngành năng lượng Việt Nam phát triển ‘xanh’ hơn và bền vững, nhưng cũng đang đặt ra hàng loạt khó khăn thách thức với Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia về đầu tư tăng năng lực hạ tầng lưới điện, cũng như vận hành lưới truyền tải, đảm bảo dòng điện an toàn tin cậy cho nền kinh tế. Để làm rõ những vấn đề nêu trên, chuyên gia Tạp chí Năng lượng Việt Nam có loạt bài phân tích về công tác quản lý, vận hành, đầu tư hạ tầng, cũng như nhận diện một số trở ngại trong chuyển đổi số khi tích hợp năng lượng tái tạo với tỷ lệ cao trong hệ thống điện; đồng thời kiến nghị các giải pháp tới cơ quan quản lý Nhà nước chuyên ngành và lời khuyên cho các nhà đầu tư điện gió, mặt trời... Xin chia sẻ cùng bạn đọc.

Vai trò hệ thống lưu trữ năng lượng trong vận hành hệ thống điện Việt Nam Trong khuôn khổ chuyên đề tuyên truyền: “Nguồn điện gió, mặt trời - Vướng mắc của tiến độ xây dựng và vấn đề tích trữ năng lượng hiệu quả” nhằm phân tích các khó khăn, vướng mắc trong đảm bảo tiến độ xây dựng; khắc phục tình trạng dư thừa công suất, tăng tối đa khả năng phát điện các nguồn năng lượng tái tạo “phi thủy điện” của Việt Nam, chuyên gia Hội đồng khoa học Tạp chí Năng lượng Việt Nam tiếp tục phân tích, đánh giá sự cần thiết, vai trò và đề xuất giải pháp để thực hiện đầu tư hệ thống lưu trữ năng lượng trong hệ thống điện quốc gia. Trân trọng giới thiệu cùng bạn đọc.

Ngành điện lực trước thách thức chuyển đổi kỹ thuật số 5G Phải nói ngay rằng: Điện lực - ngành kinh tế rường cột của quốc gia đang đứng trước thách thức của trào lưu công nghệ số. Để phát triển ổn định và bền vững, ngành điện đang tiếp cận những ý tưởng mới mẻ như một phần của tiến trình chuyển đổi kỹ thuật số, đặc biệt là công nghệ 5G.

Lý do gây bất ổn lưới điện:

Trong hơn một thập kỷ trở lại đây, xu hướng chủ đạo trên một số quốc gia phát triển là sự ngừng hoạt động của các nhà máy điện than và sự phát triển ổn định của các nguồn phát điện tái tạo. Làn sóng tiếp theo dường như là việc loại bỏ càng nhiều cơ sở sử dụng khí đốt tự nhiên càng tốt để thay bằng nguồn năng lượng sạch như gió, mặt trời… và hệ lụy là dẫn đến sự mất ổn định của lưới điện.

Ví dụ như ở Anh, Chính phủ đã cam kết loại bỏ dần tất cả nhiệt điện than vào năm 2025. Trong thập kỷ qua, quốc gia này đã lắp đặt khoảng 20 GW năng lượng tái tạo. Hơn một phần ba (37,1%) sản lượng điện của Anh đến từ các nguồn tái tạo với kế hoạch lắp đặt thêm 40 GW gió ngoài khơi trong thập kỷ tới. Khi có nhiều gió, mặt trời thâm nhập vào lưới điện, các vấn đề về tính bất ổn định và quán tính sẽ càng gia tăng.

“Năng lượng tái tạo được kết nối với lưới mang tính điện tử thay vì trực tiếp như nhà máy điện tập trung. Kết quả việc dịch chuyển khỏi than đá, sẽ có ít tua bin lớn kết nối lưới điện, dẫn đến việc giảm lượng quán tính trong hệ thống. Việc mất đồng bộ các máy phát tua bin khí và tua bin hơi dẫn đến hệ thống mất ổn định ở dạng quán tính mang tính hệ thống” - Mark Tiernan - Giám đốc Trạm điện cao thế thuộc Công ty Năng lượng Siemens Energy cho hay.

Giải pháp lựa chọn cân bằng lưới điện tái tạo:

1/ Phương án sử dụng thiết bị điều khiển điện:

Phương án này rất đa dạng, nhằm duy trì và đẩy nhanh tốc độ sản xuất năng lượng tái tạo. Dựa trên các giải pháp điện truyền thống cho thấy, các loại thiết bị như tụ điện, bộ bù VAR tĩnh và các bộ bù tĩnh phát huy được tác dụng. Khối tụ điện thường được lắp đặt tại các trạm biến áp, gồm các tụ điện bù ngang (shunt). Lợi thế là rẻ, đáng tin cậy và dễ cài đặt, nhưng nhược điểm là chiếm diện tích lớn, chỉ có thể cung cấp công suất phản kháng, không thể hấp thụ được. Khi tải tăng nhanh và điện áp giảm thì hiệu quả tụ điện cũng giảm dần.

Bộ bù VAR tĩnh (SVC) về cơ bản là công tắc điện. Chúng bao gồm các tụ điện và cuộn kháng shunt, cung cấp mức độ kiểm soát điện áp lớn so với các tụ điện đơn giản. Chúng có thể hấp thụ và cung cấp công suất phản kháng, nhưng bất lợi là mất ổn định, hoặc sụp đổ điện áp.

Máy bù đồng bộ tĩnh, hay còn được gọi là bộ ngưng tụ đồng bộ tĩnh (StatComs) sử dụng thiết bị điện tử công suất phức tạp hơn là tụ điện và cuộn kháng. Cung cấp thời gian phản hồi nhanh hơn nhiều (micro giây) và chiếm ít diện tích hơn, nhưng đắt so với các thiết bị cơ bản hơn. Ví dụ, hệ thống Dynamic VAR (D-VAR) của hãng American Superconductor, Purewave DStatCom của S&C Electric Company, hay SVC Plus của Siemens Energy.

Thiết bị bù công suất phản kháng kiểu tĩnh SVC Plus kết hợp giữa StatCom và công nghệ chuyển đổi đa cấp. Lõi chính của hệ thống gồm một tập hợp các thành phần điện như bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện (IGBT), cuộn kháng, tụ điện và máy biến áp điện xoay chiều. Nó có thể nhanh chóng tạo nguồn điện cảm ứng, hoặc điện dung để ổn định hệ thống truyền tải và giảm nguy cơ sập nguồn và mất điện. Hệ thống SVC Plus có kích thước chỉ bằng một nửa SVC thông thường.

Hãng điều hành hệ thống truyền tải của Đức là Amprion đã ủy quyền cho Siemens Energy cung cấp hai hệ thống SVC Plus để ổn định lưới điện của quốc gia này, hiện đang dùng cho các nhà máy như: Polsum, North Rhine-Westphalia và Rheinau, Baden-Württemberg. SVC Plus cung cấp dải công suất phản kháng +/- 600 MVAR và giữ cho điện áp lưới trong phạm vi ổn định. Theo tính toán của các nhà điều hành truyền tải lưới điện của Đức, thì để cung cấp đủ độ ổn định và quán tính, người ta cần tới 28 GVAR.

Người Ý cũng đang áp dụng công nghệ này. Hãng Terna. S.p.A đã đặt hàng hai hệ thống SVC Plus để kết nối Ý - Montenegro và lục địa Ý với Sardinia. Terna. S.p.A có hai hệ thống tương tự đang được lắp đặt ở vùng Marche của Ý và sẽ đưa vào khai thác từ cuối 2021 đến giữa năm 2022.

Thiết bị ngưng tụ đồng bộ và cách hoạt động của thiết bị ngưng tụ đồng bộ tụ của Siemens Energy.

2/ Phương án sử dàn ngưng đồng bộ:

Các thiết bị ngưng tụ đồng bộ (Synchronous Condensers) là một cách khác để giải quyết các vấn đề mất ổn định của lưới điện. Có rất nhiều hệ thống như của Siemens Energy và GE. Tất cả đều có thể cung cấp quán tính để tăng cường lưới điện, công suất ngắn mạch để vận hành đáng tin cậy và công suất phản kháng để điều khiển điện áp. Về bản chất, dàn ngưng tụ đồng bộ là một chi tiết lớn tạo ra máy phát điện và một bánh đà. Khi được kết nối với lưới điện, nó cung cấp quán tính bằng cách quay liên tục đồng bộ với tần số lưới. Do đó, nó góp phần vào sự ổn định của hệ thống, làm giảm bất kỳ biến động nào về tần số, giống như giảm xóc ô tô khi đi trên đường. Bánh đà là một bánh lớn có tác dụng bổ sung thêm khối lượng để hệ thống có quán tính lớn hơn. Nó thực sự là một phương tiện thay thế bánh đà cho khối lượng quay của tua bin khí, hoặc hơi.

“Bằng cách ghép bánh đà với khối lượng quay của rôto máy phát điện, nó tạo ra ngắn mạch và mở rộng quán tính cần thiết, giúp ổn định tần số mạng" - Các chuyên gia ở hãng Terna. S.p.A chia sẻ kinh nghiệm.

Máy phát điện đồng bộ được nối với mạng truyền tải điện cao áp qua máy biến áp bậc thang. Nó được khởi động và dừng bằng động cơ điện điều khiển tần số (động cơ phụ), hoặc bộ biến tần khởi động. Khi máy phát đạt tốc độ đồng bộ hoạt động, nó được đồng bộ với mạng truyền tải và máy được vận hành như một động cơ cung cấp công suất phản kháng, cũng như ngắn mạch cho mạng truyền tải.

Tại Anh, Chính phủ phát động chương trình: “Người tìm đường dẫn lưới điện quốc gia (NGP)” nhằm cung cấp nhiều nguồn điện ngắn mạch, đặc biệt là ở các địa điểm ở Scotland và xứ Wales. Siemens Energy đã được trao ba dự án trong khuôn khổ chương trình này. Công việc đã bắt đầu tại một địa điểm ở Rassau, Ebbw Vale ở Wales cho Welsh Power. Công nghệ ổn định lưới quay này đang được lắp đặt tại hiện trường để quản lý ổn định lưới điện và sẽ được đưa vào khai thác vào cuối năm nay.

Chris Wickins - Giám đốc Dịch vụ Lưới điện tại Welsh Power cho biết: “Trong vòng 15 phút kể từ khi có tín hiệu yêu cầu, cơ sở của chúng tôi có thể cung cấp khoảng 1% quán tính cần thiết để vận hành lưới điện một cách an toàn mà không phát thải. Do tính gián đoạn của năng lượng gió, công nghệ ổn định lưới điện ngày càng có vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi năng lượng thành công”.

GE Steam Power hiện cũng đang chào hàng hệ thống bánh đà và bình ngưng đồng bộ của riêng mình và đã bán cho Terna. S.p.A hai hệ thống để lắp tại trạm biến áp Brindisi ở Ý. Mỗi cái cung cấp công suất phản kháng lên đến + 250/-125 MVAr và quán tính 1.750 MW. Cả hai đều được lắp đặt dọc theo hệ thống truyền tải để giữ cho dòng điện chạy ổn định. GE có thêm bốn tổ máy ngưng tụ đồng bộ 250 MVAr đang được thực hiện với Terna. S.p.A trong các nhà máy Selargius và Maida ở Sardinia và Calabria. Ngoài ra, GE đã cung cấp hai thiết bị ngưng tụ đồng bộ 160 MVAr cho các Trạm biến áp Favara và Partinico Terna ở Sicily, hoạt động từ cuối năm 2015, giúp tăng thêm 1.820 MVAr công suất phản kháng cho lưới điện quốc gia Ý.

Bố trí nhà máy ngưng tụ đồng bộ điển hình bao gồm một, hoặc hai thiết bị ngưng tụ đồng bộ với bánh đà song song, máy biến áp bậc thang, bộ ngắt máy phát điện, tất cả các thiết bị phụ trợ cơ điện, cũng như cân bằng của nhà máy bao gồm hệ thống bảo vệ, điều khiển, hệ thống giám sát và chẩn đoán. Được sự cho phép của GE, Chris Evans - Trưởng phòng Quản lý Sản phẩm của GE Steam Power tiết lộ: “Các thiết bị bao gồm thiết bị quay điện mới, hoặc máy phát điện hiện có được cấu hình lại để hoạt động như bộ ổn định lưới điện đáng tin cậy - có nghĩa, ổn định điện áp của lưới điện. Bánh đà là một tính năng bổ sung cho quán tính bổ sung có thể được cung cấp tại thời điểm xây dựng nhà máy mới, hoặc được bổ sung sau này trong vòng đời của nhà máy, thay vào đó, nó phục vụ cho việc ổn định tần số của lưới điện”.

3/ Sử dụng máy phát điện hiện có cho ngưng tụ đồng bộ:

Các hệ thống hiện đang vận hành thương mại đều hoạt động tốt. Nhưng có một cách tiếp cận mới, cần ít vốn hơn, đó là chuyển đổi các tua bin hơi và khí cũ thành các bình ngưng tụ đồng bộ. Có rất nhiều nhà máy điện đang tồn tại có sẵn các tua bin cũ. Một số đã ngừng hoạt động, hoặc vận hành với công suất thấp hơn nhiều so với trước đây do nguồn tài nguyên tái tạo ngày càng thịnh hành, chiếm tỷ trọng lớn trong cung ứng điện. Điều này chắc chắn, ngày càng nhiều các tua bin cũ ngừng hoạt động, hoặc cần loại bỏ dần.

Việc chuyển đổi các máy phát điện hiện có để cung cấp sự ngưng tụ đồng bộ được chia thành hai loại. Một là để máy được sử dụng cho công suất cực đại và ngưng tụ đồng bộ bằng cách kết hợp bộ ly hợp tự dịch chuyển đồng bộ (SSS) vào một tổ hợp máy phát tua bin hiện có. Ngoài ra, một tổ máy phát tua bin hiện có như máy phát tua bin hơi nước ngừng hoạt động của nhà máy điện than có thể nhanh chóng được chuyển đổi thành bình ngưng đồng bộ bằng cách tháo tua bin và thêm bộ truyền động tăng tốc bằng ly hợp SSS.

Tua bin, hoặc bộ truyền động tăng tốc trong trường hợp ứng dụng chỉ dành cho máy phát điện. Khi máy phát đồng bộ với lưới điện, tua bin, hoặc dẫn động tăng tốc ngắt kết nối với máy phát điện và tắt. Sau đó, máy phát điện sử dụng nguồn điện lưới để tiếp tục quay, liên tục cung cấp các VAR dẫn đầu, hoặc trễ khi cần thiết.

Tương tự, đối với tua bin hơi và tua bin khí, cách chuyển đổi như vậy có thể được thực hiện đối với động cơ pitông. Ly hợp hoạt động bằng cách ngắt hoàn toàn động cơ chính khỏi máy phát khi chỉ cần công suất phản kháng. Khi cần hoạt động, hoặc công suất thực, ly hợp SSS sẽ tự động tham gia để tạo ra năng lượng điện. Điều này cho phép thiết bị hấp thụ, hoặc cung cấp công suất phản kháng cho lưới điện cho mục đích điều khiển điện áp bằng cách chạy máy phát điện như một động cơ đồng bộ không nối với tua bin khí. Các nhà máy điện khí đốt mới đang được xây dựng cũng có thể được cấu hình để hoạt động theo cách này.

Nhà máy điện Commonwealth Chesapeake Power Plant (CCPP) ở Virginia (Mỹ) có 7 tua bin khí GE LM6000, được lắp đặt cách đây khoảng 20 năm. Chúng cung cấp điện không thường xuyên, tùy thuộc vào nhu cầu của người vận hành lưới điện. Kết quả là bốn trong số chúng được trang bị ly hợp, tiết kiệm đáng kể khi một máy phát điện hiện tại đã được đưa về đúng vị trí, được kết nối với hệ thống truyền động và đã hoạt động theo thứ tự với các bộ điều khiển.

Ngoài ra, cách tiếp cận này cung cấp cho hệ thống nguồn điện dự phòng, hoặc nguồn điện đỉnh, bổ sung cho năng lượng tái tạo khi được yêu cầu.

Từ góc độ kinh tế thuần túy cho thấy, tiền có thể được tiết kiệm bằng cách sử dụng máy móc hiện có, trang bị bổ sung như ly hợp, giá không quá đắt và có thể lắp xong trong vài tuần. Đường truyền, thiết bị chuyển mạch, thiết bị điện khác, cũng như giấy phép cũng không khó khăn. Số tiền tiết kiệm được sau đó có thể được sử dụng để nâng cấp các khu vực khác của lưới điện, hoặc được đầu tư vào nhiều dự án năng lượng gió và mặt trời hơn. Hơn nữa, các máy phát điện hiện tại có xu hướng được lắp đặt gần các trung tâm phụ tải. Trong hầu hết các trường hợp, đã có sẵn một vị trí mà chúng có thể hỗ trợ nhu cầu công suất phản kháng và cung cấp hỗ trợ điện áp hiệu quả.

Vì tua bin chạy ở chế độ ngưng tụ đồng bộ, nên không có đốt cháy nhiên liệu và do đó không có khí thải. Nhưng có một sự khác biệt lớn giữa một nhà máy than già cỗi và một tua bin đốt bằng khí đốt tự nhiên về lượng khí thải. Tua bin khí có vai trò quan trọng trong việc duy trì ổn định lưới điện bằng cách cung cấp quán tính và hỗ trợ công suất phản kháng. Các thiết bị khí tự nhiên này có thể cung cấp năng lượng dự phòng quan trọng khi năng lượng tái tạo ở mức giảm, chẳng hạn như khi băng giá sâu, hoặc khi thời tiết khắc nghiệt./.

Đón đọc kỳ tới: Nhóm công nghệ lưu trữ năng lượng triển vọng và tham khảo nhanh ở Việt Nam

KHẮC NAM (THEO REWC - 7/2021)

Link tham khảo: https://www.renewableenergyworld.com/solar/balancing-a-renewable-grid-what-are-the-options/