Tăng cường độ ổn định lưới điện trong bối cảnh năng lượng tái tạo gia tăng - Góc nhìn từ chuyên gia

Vai trò của nguồn điện linh hoạt GE Vernova trong hệ thống điện Việt Nam Tại Diễn đàn “Hoàn thiện quy định phát triển các dự án điện khí - điện và hệ thống lưu trữ năng lượng của Việt Nam giai đoạn 2026-2030”, do Cục Điện lực (Bộ Công Thương) và Hiệp hội Năng lượng Việt Nam (VEA) đồng chủ trì, Tạp chí Năng lượng Việt Nam tổ chức tại Hà Nội, các đại biểu đã tập trung thảo luận về tính cấp thiết khi hệ thống điện Việt Nam đang ở bước ngoặt quan trọng. Trong bối cảnh công nghiệp phát triển nhanh, cơ cấu nguồn điện đang chuyển dịch mạnh sang năng lượng gió và mặt trời. Tuy nhiên, quá trình này cũng đặt ra nhiều thách thức mới trong quá trình vận hành, làm giảm quán tính hệ thống trong khi gia tăng áp lực lên cả phụ tải nền lẫn phụ tải đỉnh.

Theo Quy hoạch điện VIII Điều chỉnh, Việt Nam đặt mục tiêu tăng tỷ lệ năng lượng tái tạo (không bao gồm thủy điện) trong cơ cấu nguồn điện lên khoảng 28-36% vào năm 2030. Định hướng đến năm 2050, tỷ lệ này sẽ đạt mức 74-75%. Trong bối cảnh điện gió và điện mặt trời chiếm tỷ trọng lớn hơn trong hệ thống, bài toán không chỉ là bổ sung thêm công suất điện sạch. Sự thay đổi trong cấu trúc vận hành của lưới điện sẽ đặt ra yêu cầu mới đối với những năng lực giúp duy trì tần số, điện áp và khả năng ứng phó khi xảy ra sự cố.

Nghiên cứu “Công nghệ tăng cường độ ổn định lưới điện: Giải pháp thúc đẩy chiến lược phát triển bền vững cho hệ thống điện với sự gia tăng của năng lượng tái tạo” của GE Vernova chỉ ra rằng: Các công nghệ hiện có (như tua bin khí) có chức năng bù đồng bộ và bộ biến tần tạo lưới điện có thể hỗ trợ hệ thống tiếp nhận tỷ trọng năng lượng tái tạo ngày càng cao, mà vẫn duy trì vận hành ổn định và an toàn. Tuy nhiên, để triển khai rộng rãi, các giải pháp kỹ thuật cần đi cùng cơ chế thị trường, chính sách khuyến khích và tiêu chuẩn phù hợp.

Chế độ bù đồng bộ - Mở rộng vai trò của tua bin khí ngoài phát điện:

Để lưới điện vận hành ổn định, một trong những giải pháp được nghiên cứu đề cập là sử dụng tua bin khí có khả năng vận hành ở chế độ bù đồng bộ.

Trong điều kiện thông thường, máy phát của tua bin khí không chỉ cung cấp điện, mà còn đóng góp quán tính và dòng sự cố - những yếu tố quan trọng đối với độ ổn định của hệ thống. Tuy nhiên, các tổ máy không có khả năng bù đồng bộ thường dừng và ngắt khỏi lưới khi không cần phát điện, trong đó có những thời điểm sản lượng năng lượng tái tạo ở mức cao.

Chế độ bù đồng bộ có thể được kích hoạt khi tua bin khí đang phát điện, hoặc từ trạng thái đứng yên. Tua bin khí sẽ dẫn động máy phát đến trạng thái đồng bộ với lưới, sau đó công suất tác dụng được giảm về 0 và tua bin khí dừng hoạt động, trong khi máy phát vẫn duy trì kết nối với lưới. Với các cấu hình sử dụng khớp ly hợp, ly hợp sẽ tách ra để máy phát có thể quay độc lập.

Ở một số model có tua bin công suất quay tự do và khớp nối khí động, chế độ bù đồng bộ có thể vận hành mà không cần ly hợp. Khi đó, tua bin công suất vẫn kết nối với máy phát trong khi tua bin khí dừng hoạt động. Giải pháp này cho phép tận dụng một phần cơ sở hạ tầng hiện hữu để cung cấp các dịch vụ ổn định lưới khi cần thiết. Nhờ đó, ngay cả khi tua bin khí không phát điện, máy phát vẫn có thể duy trì kết nối với lưới để cung cấp quán tính, dòng sự cố và hỗ trợ điện áp, góp phần tăng cường độ ổn định của lưới điện.

Để đáp ứng nhu cầu của ngành, các gói tua bin khí dẫn xuất của GE Vernova hiện nay bao gồm một tùy chọn bù đồng bộ được thiết kế tiêu chuẩn. LM2500XPRESS/TM2500 sử dụng tua bin công suất quay tự do và khớp nối khí động, cho phép bù đồng bộ mà không cần ly hợp. Trong khi đó, LM6000VELOX sử dụng ly hợp tích hợp trong hộp số, giữ nguyên kích thước lắp đặt và các hệ thống phụ trợ.

Mới đây, Công ty Năng lượng Dominion (bang South Carolina, Hoa Kỳ) đã thay thế các tổ máy phát điện cũ vận hành vào giờ cao điểm bằng các tổ máy sử dụng tua bin khí LM6000VELOX của GE Vernova. Với khả năng sử dụng hai loại nhiên liệu, khởi động nhanh, bù đồng bộ và tái khởi động nhanh chóng, các tổ máy mới giúp tăng cường độ tin cậy, đáp ứng nhu cầu điện giờ cao điểm và tăng cường độ ổn định lưới điện, đặc biệt trong những thời điểm tỷ trọng năng lượng tái tạo đạt mức cao.

Máy phát điện tua bin khí LM6000 được thiết kế với khả năng bù đồng bộ.

Bài toán ổn định lưới điện không chỉ liên quan tới các dự án mới. Nhiều tua bin khí hiện có có thể được cải tạo để cung cấp khả năng bù đồng bộ, như một giải pháp thay thế cho việc lắp đặt các thiết bị bù đồng bộ độc lập. Việc nâng cấp một tua bin hiện có để có khả năng bù đồng bộ cần có sự tham vấn với Nhà Sản xuất Thiết bị gốc (Original Equipment Manufacturer - OEM) nhằm tích hợp hệ thống điều khiển và bảo vệ; đồng thời xác nhận rằng, các kiểm tra quan trọng như động lực học rô-to đã được thực hiện đầy đủ. GE Vernova hiện có thể hỗ trợ khách hàng với các tùy chọn nâng cấp nhằm bổ sung khả năng này.

Bộ biến tần tạo lưới điện và vai trò ổn định lưới:

Bên cạnh chế độ bù đồng bộ, nghiên cứu của GE Vernova cũng đề cập đến bộ biến tần tạo lưới điện như một công nghệ có thể hỗ trợ tăng cường độ ổn định của lưới. Hiện nay, phần lớn các dự án điện gió, điện mặt trời và lưu trữ bằng ắc quy sử dụng bộ biến tần bám lưới, vốn cần một lưới điện bên ngoài đủ mạnh để vận hành. Khi các máy phát điện đồng bộ truyền thống dần được thay thế và quán tính, dòng sự cố của hệ thống giảm, bộ biến tần bám lưới có thể gặp khó khăn trong việc duy trì vận hành ổn định, đặc biệt khi xảy ra sự cố.

Khác với công nghệ bám lưới, bộ biến tần tạo lưới có khả năng tự tạo điện áp và sử dụng các kỹ thuật điều khiển tiên tiến để tạo ra những đặc tính động học tương tự máy điện đồng bộ. Đặc biệt khi tích hợp với hệ thống ắc quy, công nghệ này có thể duy trì vận hành ổn định ngay cả trong điều kiện lưới điện rất yếu, thậm chí khi không có nguồn phát điện đồng bộ. Nhờ đó, bộ biến tần tạo lưới có thể vận hành trong điều kiện lưới yếu hơn, phản ứng nhanh với biến động tần số; đồng thời hỗ trợ vận hành ở chế độ tách lưới và khởi động lại hệ thống điện sau khi mất điện hoàn toàn.

Hiện nay, trọng tâm ứng dụng của công nghệ tạo lưới chủ yếu nằm ở các hệ thống lưu trữ năng lượng bằng ắc quy. Tuy nhiên, theo nghiên cứu, công nghệ này cũng có thể được áp dụng cho điện gió, điện mặt trời, hoặc các hệ thống lai, đặc biệt tại những khu vực có lưới điện yếu. Qua đó, bộ biến tần tạo lưới có thể góp phần tăng cường độ ổn định của hệ thống và hỗ trợ việc mở rộng các nguồn năng lượng tái tạo.

Bảng so sánh bộ biến tần tạo lưới điện và bộ biến tần bám lưới.

Cơ chế phù hợp - Yếu tố then chốt hỗ trợ ổn định lưới điện:

Các công nghệ tăng cường độ ổn định lưới điện đang mở ra thêm những lựa chọn để hỗ trợ hệ thống điện thích ứng với tỷ trọng năng lượng tái tạo ngày càng cao. Tuy nhiên, sự sẵn có của công nghệ mới chỉ là một phần của bài toán. Để các giải pháp này được triển khai hiệu quả, nhu cầu đối với các dịch vụ ổn định lưới điện cần được xác định và đánh giá phù hợp; đồng thời cần có những cơ chế hỗ trợ để các dịch vụ đó có thể được cung cấp khi hệ thống cần đến.

Theo nghiên cứu của GE Vernova: Các đơn vị vận hành lưới điện cần liên tục đo lường và đánh giá nhu cầu đối với những dịch vụ ổn định thiết yếu, bao gồm công suất dự phòng, quán tính, điều chỉnh tần số, khả năng cung cấp dòng sự cố, hỗ trợ điện áp, dịch vụ phụ trợ điều khiển tần số (Frequency Control Ancillary Services - FCAS) và dịch vụ phụ trợ khởi động lại hệ thống (System Restart Ancillary Services - SRAS). Song song với đó, cách thức mua sắm những dịch vụ này cũng cần được xem xét và điều chỉnh nhằm đáp ứng những yêu cầu đang thay đổi của hệ thống điện.

Việc tạo điều kiện để các công nghệ có khả năng cung cấp những dịch vụ ổn định này được triển khai cũng đóng vai trò quan trọng. Đối với tua bin khí có chức năng bù đồng bộ, nghiên cứu chỉ ra rằng: Việc thiếu các chính sách khuyến khích để các đơn vị phát điện có thể thương mại hóa dịch vụ bù đồng bộ đang hạn chế việc tích hợp tính năng này vào các nhà máy điện. Trong khi đó, đối với bộ biến tần tạo lưới điện, việc cải thiện cơ chế thương mại hóa những lợi ích mà công nghệ mang lại, cùng với điều chỉnh các tiêu chuẩn kết nối lưới điện, có thể góp phần mở rộng triển khai, đặc biệt tại những khu vực có lưới điện yếu.

Nhìn rộng hơn, khi tỷ trọng năng lượng tái tạo ngày càng tăng, bài toán chuyển dịch năng lượng không chỉ nằm ở việc bổ sung thêm nguồn điện sạch, mà còn ở khả năng duy trì một hệ thống điện ổn định và đáng tin cậy trong một cơ cấu nguồn điện đang thay đổi. Trong bối cảnh Việt Nam hướng tới các mục tiêu năng lượng tái tạo theo Quy hoạch điện VIII Điều chỉnh, việc chủ động xem xét các công nghệ tăng cường độ ổn định lưới điện, song hành với cơ chế thị trường và tiêu chuẩn phù hợp để hỗ trợ triển khai, sẽ ngày càng trở nên quan trọng. Để năng lượng tái tạo có thể tiếp tục mở rộng một cách đáng tin cậy, năng lực duy trì ổn định của lưới điện cũng cần phát triển tương ứng./.

BBT TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM