Phát triển hệ thống điện thông minh [kỳ 5]: Cách làm của Nhật Bản

Phát triển hệ thống điện thông minh [kỳ 4]: Sáng kiến của Ấn Độ Để thỏa mãn nhu cầu năng lượng cho hơn 1,4 tỷ người, Ấn Độ coi trọng công nghệ lưới điện thông minh, đặc biệt là đầu tư cho cơ sở hạ tầng chiến lược để phát triển thịnh vượng lâu dài và mục tiêu giảm thải carbon.

Phát triển hệ thống điện thông minh [kỳ 3]: Phương pháp tiếp cận của Hoa Kỳ Thuật ngữ lưới điện thông minh đã xuất hiện hơn một thập kỷ, nhưng việc triển khai thực tế vẫn còn hạn chế. Để phục vụ cho chương trình chuyển đổi năng lượng, hướng tới mục tiêu phát thải ròng bằng 0, Hoa Kỳ đang khẩn trương ứng dụng công nghệ mới để cải tạo lưới điện, nâng cao độ bền bỉ, dẻo dai và cho ra đời hệ thống lưới điện thông minh để đáp ứng nhiệm vụ trong tình hình mới.

Phát triển hệ thống điện thông minh [kỳ 2]: Lộ trình 25 năm của Malaysia Việc hiện đại hóa cơ sở hạ tầng sẽ đảm bảo năng suất, hiệu quả, độ tin cậy của mạng lưới cung cấp điện cho người dân, đồng thời hỗ trợ các hoạt động kinh doanh và phát triển kinh tế. Đó là mục tiêu được Tập đoàn Điện lực Quốc gia Malaysia Tenaga Nasional Berhad (TNB) đang âm thầm thực hiện. Cập nhật của chuyên gia Tạp chí Năng lượng Việt Nam về tính cấp thiết và 4 kế hoạch phát triển lưới điện thông minh ở Malaysia...

Phát triển hệ thống điện thông minh [kỳ 1]: Tính cấp thiết trong khu vực ASEAN Ngành năng lượng ASEAN đang ở điểm “bước ngoặt”, hay thời điểm tăng trưởng và thay đổi đáng kể trong quá trình chuyển đổi năng lượng. Bởi vậy, nên ASEAN cần chuyển đổi số hóa càng nhanh càng tốt, nó rất quan trọng để đạt được mục tiêu khử cacbon, nâng lưới điện lên trạng thái số hóa và an toàn hơn... Trong kỳ 1 của chuyên đề này, chuyên gia Tạp chí Năng lượng Việt Nam tổng hợp về hiệu quả đem lại cho ngành năng lượng nhờ số hóa trên thế giới nói chung, cũng như khu vực ASEAN nói riêng và năm bước số hóa lưới điện “tự phục hồi” theo kinh nghiệm của Malaysia.

Hiện trạng hệ thống truyền tải điện của Nhật Bản:

Theo Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp (METI): Mất điện luân phiên ở Tokyo, khu vực của TEPCO (Công ty Điện lực Tokyo), xảy ra sau trận động đất lớn ở phía Đông Nhật Bản (năm 2011), đã kích hoạt việc nối lại Cải cách ngành điện (sau đây gọi là “Cải cách”) ở Nhật Bản, nhằm thiết lập hệ thống cung cấp điện ổn định hơn, giảm chi phí bằng cách đưa ra môi trường cạnh tranh, lựa chọn nhà bán lẻ hợp lý hơn. Cải cách còn bao gồm cả việc tách nhóm hợp pháp các công ty điện lực tích hợp theo chiều dọc (VIU) từ tháng 4 năm 2020.

Ngành điện Nhật Bản đang thay đổi mạnh mẽ do tăng trưởng nhu cầu thấp, công suất lắp đặt ngày càng tăng của năng lượng tái tạo (NLTT), cũng như sự phát triển của Cải cách. Việc tích hợp NLTT vào lưới điện hiện đang làm giảm giá năng lượng trên thị trường điện bán buôn, hệ số công suất của các nhà máy điện hiện có và doanh thu của họ do chi phí cận biên bằng không. Do đó, khả năng dự đoán về việc thu hồi chi phí sẽ kém đi và việc đầu tư vào xây dựng nhà máy điện của đơn vị phát điện sẽ giảm trong tương lai.

Để khuyến khích đầu tư sản xuất điện và thực thi khả năng dự đoán và đảm bảo hiệu quả dự trữ/công suất cần thiết trong trung và dài hạn, cơ chế thị trường để thanh toán hợp lý cho nguồn phát điện vừa được thiết lập, được tách thành: kWh, kW, ΔkW, và các giá trị môi trường (không hóa thạch).

Từ quan điểm của giá trị ΔkW, giao dịch negawatt (DR: Đáp ứng nhu cầu) được thúc đẩy, rất hữu ích cho việc đa dạng hóa nguồn năng lượng và đảm bảo an toàn của công suất/dự trữ. Để thúc đẩy sự sống còn của thị trường và sử dụng hiệu quả hơn các đường kết nối giữa các khu vực kiểm soát, lưới điện phân bổ công suất truyền tải theo quy tắc ràng buộc, từ ai đến trước phục vụ trước sang đấu giá có chủ ý.

Sau trận động đất lớn ở phía Đông Nhật Bản (năm 2011), tình hình kỹ thuật trong hệ thống điện của Nhật Bản cũng thay đổi mạnh mẽ do sự gia tăng mạnh của năng lượng tái tạo, nhất là điện mặt trời. Mục tiêu 53 GW công suất PV của Nhật Bản đảm bảo khoảng 33% nhu cầu cao nhất là 160 GW vào mùa hè và khoảng 60% nhu cầu cao nhất trong điều kiện tải nhẹ vào mùa xuân và mùa thu.

Biến động tần số, phát điện dư thừa, không đủ công suất truyền tải và không đủ quán tính quay trong mạng truyền tải, không đủ công suất và tăng điện áp trong mạng phân phối do tích hợp PV lớn là những vấn đề quan trọng nhất cần được giải quyết.

Để giải quyết những vấn đề trên và tăng công suất lắp đặt NLTT, nhiều biện pháp đối phó khác nhau như sử dụng hiệu quả hệ thống pin lưu trữ năng lượng (BESS) phía lưới điện, xe điện (EV) và máy nước nóng dựa trên bơm nhiệt (HPWH) về phía cầu, và thị trường giao dịch P2P tích hợp ICT, là những khái niệm mới về lưới điện siêu nhỏ, lưới điện thông minh và nhà máy điện ảo (VPP), cho đến nay đã được nghiên cứu, thử nghiệm thực tế tại Nhật Bản.

Ngoài ra, phương pháp kết nối và quản lý mạng truyền dẫn cho RES, bao gồm kết nối RES loại không cố định, kết nối RES có ngắt truyền trong trường hợp mất đường truyền sắp được áp dụng vào hệ thống thực tế.

Trong vài năm gần đây, hệ thống điện của Nhật Bản đã nhiều lần bị hư hỏng do thiên tai (động đất, bão và mưa lớn).

Ví dụ: Sự cố mất điện toàn bộ hệ thống với 3.087 MW đã xảy ra ở Hokkaido EPCO ở phía Bắc Nhật Bản do trận động đất ở Đông Iburi ở Hokkaido (ngày 6 tháng 9 năm 2018) và sự cố mất điện quy mô lớn và dài hạn đối với 920 nghìn khách hàng cũng xảy ra ở vùng ngoại ô khu vực gần Tokyo do cơn bão số 15 mạnh (ngày 9/9/2019) và phải mất 2 tuần để khôi phục lại tình trạng mất điện hoàn toàn...

Do đó, cần phải thiết lập một hệ thống điện có khả năng phục hồi trước các thảm họa thiên nhiên quy mô lớn từ các biện pháp kỹ thuật, hỗ trợ vận hành và quản lý kinh doanh liên tục.

Kế hoạch “3E + S” hướng tới Net Zero của hệ thống truyền tải điện Nhật Bản:

Mục tiêu của Nhật Bản là hướng tới các hệ thống điện phi điều tiết, thông minh và linh hoạt với sự tích hợp lớn của năng lượng tái tạo, nhằm thỏa mãn tiêu chí thỏa mãn “3E + S”.

Theo Viện Kỹ sư Điện Nhật Bản (IEE): Mục đích của chính sách năng lượng của Nhật Bản là đáp ứng cái gọi là “3E + S” theo cụm từ tiếng Anh. Có nghĩa là “An ninh năng lượng”, “Hiệu quả kinh tế”, “Môi trường” và “An toàn” (Energy security- Economic efficiency - Environment - Safety).

Có thể hiểu là cung cấp điện an toàn, kinh tế và thân thiện với môi trường một cách cân bằng với giả định rằng: Sự an toàn được đảm bảo, đồng thời thiết lập môi trường cạnh tranh công bằng và bình đẳng. Cùng với đó là sự ra đời của các thị trường điện, như thị trường năng lượng giao ngay, thị trường công suất và thị trường cân bằng.

Đôi nét về tiến độ thực hiện mục tiêu lưới điện thông minh của Nhật Bản:

Theo IEE: “Lưới điện thông minh” có nghĩa là một hệ thống điện sử dụng các công nghệ điều khiển và trao đổi thông tin, điện toán phân tán và các cảm biến, bộ truyền động liên quan, cho các mục đích như tích hợp hành vi, hành động của người dùng mạng và các bên liên quan khác, nhằm mang lại hiệu quả bền vững, nguồn cung cấp điện kinh tế, an toàn với sự tích hợp lớn của NLTT vào mạng lưới điện.

Cắt giảm sản lượng điện mặt trời không phải là một giải pháp tối ưu từ quan điểm sử dụng hiệu quả NLTT và lưới điện thông minh. Để tránh việc cắt giảm PV, một giải pháp khả thi sử dụng hiệu quả các thiết bị có thể điều khiển được về phía cầu để cân bằng cung và cầu. Nếu các thiết bị lưu trữ năng lượng như bình nước nóng bơm nhiệt (HPWH) và ô tô điện (EV) ở phía có nhu cầu và thiết bị gia dụng có thể điều khiển được sử dụng hiệu quả cùng với sản lượng điện mặt trời và kiểm soát cân bằng cung cầu trong giai đoạn kiểm soát cắt giảm, thì tổng điện năng dư thừa của điện mặt trời có thể giảm trong cả năm.

Tại Nhật Bản, nhiều dự án quốc gia về lưới điện thông minh do chính phủ Nhật Bản hỗ trợ thực hiện từ năm 2010, tiêu biểu như một số dự án sau:

1/ Dự án R&D về điều khiển tối ưu mạng lưới phân phối và chuyển tiếp điện thế hệ tiếp theo:

Kể từ năm 2010, dự án trình diễn điều khiển tối ưu thế hệ tiếp theo của mạng lưới truyền tải và phân phối điện tập trung vào một phương pháp điều khiển mới của các thiết bị có thể điều khiển theo yêu cầu, để cân bằng cung và cầu đã được tiến hành với tất cả các TEPCO và các công ty sản xuất lớn, cũng như các trường đại học ở Nhật Bản (trong 6 năm).

Dự án trình diễn được xây dựng tại khuôn viên Kashiwa của Đại học Tokyo, bao gồm các PV, HPWH, EV, giao diện thông minh (SIF), máy chủ quản lý năng lượng (EMS), hệ thống điều khiển tối ưu (OCS) của PV, HPWH và EV thông qua SIF và mạng gia đình.

Phương pháp lập kế hoạch tối ưu được phát triển cho PV, HPWH và EV có thể giảm thiểu việc cắt giảm sản lượng PV và có thể tránh tình trạng thiếu nước nóng, đồng thời giảm thiểu chi phí. Trong dự án trình diễn này, EMS biểu thị ảo cho trung tâm điều khiển điều phối tiện ích. OCS lập kế hoạch vận hành hàng ngày (vào lúc 23:00 1 ngày trước khi vận hành).

Bốn trăm kế hoạch ứng cử viên ban đầu được thực hiện cho máy nước nóng bơm nhiệt và EV. Khi các kế hoạch ứng cử viên được đánh giá, tình trạng thiếu nước nóng, xả EV quá mức và vận hành bơm nhiệt thường xuyên hơn bốn lần sẽ bị phạt.

Sử dụng thuật toán di truyền, quy trình đánh giá và lựa chọn lại được lặp đi lặp lại 3.000 lần để chọn phương án ứng cử viên tối ưu. Sau đó, OCS gửi tín hiệu điều khiển đến PCS của PV, HPWH và EV thông qua SIF. Kết quả thử nghiệm kiểm soát cắt giảm PV bằng cách sử dụng OCS và SIF.

2/ Dự án trình diễn các công nghệ giảm thiểu biến động đầu ra của các thế hệ năng lượng tái tạo trong mạng lưới điện ở đảo Nii-Jima:

Kể từ năm 2014, thử nghiệm hiện trường trình diễn EMS phân phối và phối hợp đã được tiến hành ở Đảo Nii-Jima - nơi có NLTT của PV 330 kW và năng lượng gió 600 kW, BESS 1.336 kWh, HPWH… được lắp đặt. Tổng công suất của NLTT khoảng 1.000 kW chiếm phần lớn nhu cầu phụ tải (1.900 - 4.400 kW) tại đảo Nii-Jima.

Ở đây, EMS phân tán và phối hợp, bao gồm hệ thống điều độ trung tâm khu vực do nhà điều hành mạng vận hành và hệ thống kiểm soát nguồn năng lượng phân tán dựa trên tổng hợp, cùng với hệ thống dự báo nhu cầu hiện có và hệ thống điều khiển máy phát điện động cơ diesel.

Hệ thống điều độ trung tâm khu vực, bao gồm hệ thống dự báo đầu ra NLTT và EMS tích hợp để lập kế hoạch phát điện cho máy phát điện diesel, NLTT, BESS và tải có thể điều khiển, hệ thống chỉ huy điều khiển cho hệ thống vận hành phát điện kinh tế và hệ thống điều khiển nguồn năng lượng phân tán dựa trên tổng hợp. Hệ thống tích hợp này nhằm mục đích giảm thiểu tổng chi phí trong thời gian dài.

3/ Dự án trình diễn nhà máy điện ảo (VPP):

Khả năng cân bằng để kiểm soát kết hợp cung - cầu được cung cấp bởi các thiết bị của khách hàng như: Pin trong nhà, EV, HPWH, máy phát điện trong nhà, điều hòa không khí, ánh sáng… có thể được sử dụng hiệu quả bởi các bộ tổng hợp thông qua IoT được đưa vào bộ điều khiển tập thể của họ.

Hệ thống tích hợp với chức năng hệ thống trên như một nhà máy điện được gọi là VPP. Khả năng cân bằng do VPP cung cấp thường tương ứng với nguồn thay thế (RR) và nguồn thay thế cho giá FIT (RR-FIT) trong thị trường cân bằng. Nếu tốc độ phản hồi của VPP rất nhanh (ví dụ như BESS và EV được sử dụng trong VPP), thì khả năng cân bằng tương ứng với dự trữ ngăn chặn tần số (FCR), dự trữ khôi phục tần số được đồng bộ hóa (S-FRR) và khôi phục tần số dự trữ (FRR).

Một trong những chủ đề trong các dự án trình diễn VPP do Chính phủ Nhật Bản hỗ trợ là phát triển thông số kỹ thuật của hệ thống giám sát và điều khiển của nhóm pin lưu trữ để kiểm soát tần suất tải, bằng cách kiểm soát chung vài chục nghìn BESS hộ gia đình, đã được tiến hành cho sáu pin thực và 9.994 bộ mô phỏng pin của Kansai EPCO kể từ năm 2018.

Trong phần trình diễn này, đã làm rõ, khi xảy ra khó khăn trong giao tiếp giữa pin và hệ thống giám sát, điều khiển hoặc xảy ra lỗi pin, yêu cầu khả năng cân bằng để kiểm soát tần số phụ tải của trung tâm điều độ phụ tải trung tâm có thể được đảm bảo lại trong khoảng 1 phút, bằng cách sử dụng hiệu quả dung lượng dư thừa của các pin chưa sử dụng.

Nhật Bản hướng tới hệ thống điện có khả năng phục hồi:

Như đã đề cập ở trên, trong vài năm gần đây, hệ thống điện của Nhật Bản đã nhiều lần bị hư hại do thiên tai (như động đất mạnh, bão và mưa lớn), đồng thời chịu áp lực lớn do sự tích hợp ồ ạt của các RES vào lưới điện từ quan điểm vận hành...

Để đảm bảo khả năng phục hồi của hệ thống điện, từ quan điểm hệ thống, VPP và lưới điện thông minh và lưới điện siêu nhỏ đã được nghiên cứu, phát triển tại Nhật Bản. Lưới điện siêu nhỏ được định nghĩa là một nhóm các tải được kết nối với nhau và các nguồn năng lượng phân tán (DER) trong các ranh giới điện được xác định rõ ràng, hoạt động như một thực thể có thể kiểm soát duy nhất. Một lưới điện siêu nhỏ cho phép nó hoạt động ở chế độ được kết nối, hoặc chế độ cô lập với lưới điện.

Tại Nhật Bản, khái niệm cơ bản về lưới điện siêu nhỏ gần giống với Hoa Kỳ và có thể bổ sung vào khái niệm rằng: Nó không có tác động bất lợi đến hoạt động của lưới điện chính như kiểm soát tần số phụ tải trong điều kiện bình thường.

Những năm gần đây, lưới điện siêu nhỏ đã thu hút sự chú ý về lập kế hoạch duy trì hoạt động kinh doanh và khả năng phục hồi (BCRP) trước thảm họa thiên nhiên, mặc dù chi phí cao hơn so với lưới điện thông thường. Tại Nhật Bản, trong khoảng 10 năm (kể từ năm 2000) trước khi các dự án lưới điện thông minh được tiến hành, một số dự án lưới điện siêu nhỏ đã được thực hiện với sự hỗ trợ của Chính phủ Nhật Bản và NEDO.

Một trong những dự án nổi tiếng nhất là dự án Thành phố Hachinohe (được thực hiện tại Thành phố Hachinohe, tỉnh Aomori). Lưới điện siêu nhỏ này bao gồm sản xuất động cơ khí sinh học, pin, PV và phát điện gió nhỏ và phụ tải của tòa thị chính Hachinohe, một số trường học. Lưới điện siêu nhỏ này được kết nối với lưới điện Tohoku EPCO tại hai điểm khớp nối chung. Đặc điểm của dự án này là vận hành đảo thành công sử dụng phụ tải thực tế ở trạng thái sự cố, và vận hành nối lưới kinh tế với mức phát thải CO2 tối thiểu ở trạng thái bình thường.

Một dự án trình diễn lưới điện siêu nhỏ nổi tiếng khác là dự án lưới điện siêu nhỏ của Đại học Tohoku Fukushi ở Thành phố Sendai, cũng được NEDO hỗ trợ.

Đặc điểm của lưới điện siêu nhỏ này là sáu mức chất lượng điện: Bình thường, cao A, B1, B2, B3 và DC được cung cấp trên các mạch khác nhau. Ở đây, một mạch DC trực tiếp cung cấp cho phòng điều khiển, trong đó tất cả các thiết bị, bao gồm cả giá đỡ dữ liệu là DC để tránh xếp tầng lỗi. Trong hệ thống này, pin nhiên liệu MCFC và PV cũng được lắp đặt để lấp đầy ngoài việc chạy máy phát điện chạy khí.

Sau một số nâng cấp, hệ thống này vẫn hoạt động. Ngay cả trong thảm họa động đất và sóng thần ở khu vực Tohoku (năm 2011), sau khi mất dịch vụ tiện ích, các máy phát động cơ của nó đã được khởi động lại và lưới điện siêu nhỏ đã cung cấp cả điện và nhiệt cho bệnh việncủa Đại học Tohoku Fukushi trong hai ngày mất điện.

Đón đọc kỳ tới...

KHẮC NAM - CHUYÊN GIA TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

Link tham khảo:

1/ https://esci-ksp.org/wp/wp-content/uploads/2012/05/Smart-Grid-Development-in-Japan.pdf

2/ https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/tee.23644