Các ứng dụng chuyển đổi nguồn điện áp dùng cho HVDC

Mở rộng lưới điện để đáp ứng nhu cầu của khách hàng.

Chúng ta cần một hệ thống truyền tải hiệu quả để đưa điện từ các trung tâm phát điện đến các trung tâm phụ tải (Ảnh st)

Theo báo cáo Điện lực năm 2024 của Cơ quan Năng lượng Quốc tế IEA, “dự kiến nhu cầu điện toàn cầu ​​sẽ tăng trưởng với tốc độ nhanh hơn trong ba năm tới, với dự báo sẽ đáp ứng toàn bộ nhu cầu bổ sung bởi các công nghệ sản xuất điện phát thải thấp”. Các công nghệ này chủ yếu là gió, mặt trời và tích trữ năng lượng, sẽ tiếp tục gia tăng khi chúng ta thay thế các nhiên liệu hóa thạch. Điều này đưa chúng ta đến một cái gì đó đang khiến điều này trở thành một thời điểm rất thú vị: công nghệ dòng điện một chiều cao áp (HVDC).

Vì chúng ta không thể di chuyển các trung tâm phụ tải đến gần hơn với tất cả các nguồn phát điện chống hiện tượng ấm lên toàn cầu đang nối lưới, nên chúng ta cần một hệ thống truyền tải hiệu quả để di chuyển điện đến các trung tâm phụ tải. Có một số cân nhắc khiến thử thách này trở nên thú vị hơn. Phát điện tái tạo như các trang trại gió đang chuyển ra xa hộ tiêu thụ hơn. Ngoài ra, chúng có thể đặt trên bờ hoặc ngoài khơi và công suất của chúng đã tăng lên các mức gigawatt (GW). Và, hộ tiêu thụ không hài lòng với tính thẩm mỹ của các đường dây truyền tải điện cao áp trường phái cũ.

Một kỷ nguyên mới

Đó là lúc công nghệ HVDC tỏa sáng với ứng dụng bộ chuyển đổi nguồn điện áp (VSC). Các nhà phát triển và vận hành lưới điện đã chọn HVDC dựa trên VSC Iàm công nghệ giúp đẩy nhanh các dự án truyền tải điện quy mô lớn. HVDC dựa trên VSC hỗ trợ có thiết kế để truyền tải những lượng điện năng khổng lồ ở khoảng cách cực xa thông qua các công nghệ trên không, ngầm dưới đất và ngầm dưới biển hoặc một tổ hợp của chúng. Ngoài ra, các trạm chuyển đổi dựa trên VSC rất nhỏ gọn, yêu cầu diện tích đất nhỏ hơn so với các phương pháp khác. Phương pháp chuyển đổi từ dây dẫn trên không sang các hệ thống cáp ngầm ngoài tầm nhìn này đã được chứng minh là một đặc điểm cực kỳ có giá trị ở các khu vực đô thị tắc nghẽn.

Một ví dụ lý tưởng cho chiến thuật này là dự án Champlain Hudson Power Express. Nó sử dụng kết hợp cả cáp ngầm dưới đất và cáp ngầm qua biển trên toàn bộ chiều dài, mang lại 1.250MW công suất cho Thành phố New York. Khả năng thích ứng của VSC đã được chứng minh là phương pháp lý tưởng để đưa nguồn điện lớn trực tiếp vào cảnh quan thành phố đông dân cư. Đây là những khu vực mà ở đó người dân không hoan nghênh các đường dây truyền tải trên không. Đường dây điện vô hình của công nghệ HVDC dựa trên VSC có sức hấp dẫn về mặt thẩm mỹ cần thiết để vượt qua tâm lý “không thi công trong sân sau của tôi”. Đó là lý do tại sao rất nhiều công ty điện lực và công ty vận hành lưới điện trên toàn thế giới sử dụng công nghệ này.

Công nghệ được lựa chọn

Theo báo cáo mới nhất của Công ty Research and Markets (Vương quốc Anh), thị trường truyền tải HVDC dự kiến ​​sẽ tăng từ 11,4 tỷ USD vào năm 2023 lên 14,9 tỷ USD vào năm 2028. Đây là mức tăng trưởng kép hàng năm 5,4% cho khung thời gian 2023-2028. Họ tiếp tục cho biết: “Số lượng các dự án HVDC dựa trên VSC ngày một tăng, số lượng dự án năng lượng tái tạo ngày càng tăng trên toàn cầu, nhu cầu tăng cao về nguồn cấp điện đáng tin cậy, và các sáng kiến ​​hỗ trợ của chính phủ đối với truyền tải điện là những yếu tố chính thúc đẩy tăng trưởng thị trường trên toàn cầu.”

Nói cách khác, HVDC dựa trên VSC đang trở thành công nghệ được lựa chọn trên toàn cầu, minh họa cho điều này là hoạt động HVDC dựa trên VSC ở Châu Âu hiện nay. Trong thập kỷ tới, các cơ sở trên đất liền và ngoài khơi sẽ bổ sung rất nhiều công suất điện gió vào lưới điện châu Âu và công suất này cần phải hoàn thành nhanh chóng. Người ta kỳ vọng rằng sẽ bổ sung khoảng từ 80GW đến 260GW trong khoảng thời gian từ năm 2030 đến năm 2040. Như vậy là rất nhiều điện sẽ đưa ra thị trường.

Liên minh Châu Âu tiếp tục nghiên cứu về việc phát triển các trung tâm điện và lưới điện HVDC dạng lưới cần thiết để quản lý công suất điện xuyên biên giới ngày càng tăng. Có rất nhiều công việc thực tế đang diễn ra với PCI (các dự án vì lợi ích chung) dự kiến ​​sẽ thu hẹp các khoảng cách trong hệ thống điện châu Âu. Đó là các dự án mở rộng truyền tải như SuedOstLink, SuedLink, Ultranet, A-Nord và nhiều dự án khác nữa. Các mạch liên kết HVDC dựa trên VSC này dự kiến ​​sẽ là sự khởi đầu của nhiều đầu nối dẫn đến việc xây dựng lưới điện HVDC dạng mắt lưới.

Các cảnh báo chuỗi cung ứng

Với việc triển khai tất cả các dự án HVDC dựa trên VSC, chuỗi cung ứng bắt đầu trở nên căng thẳng trên toàn thế giới. Nó đang ảnh hưởng đến mọi thứ liên quan đến các mạch liên kết HVDC dựa trên VSC, từ nhân sự đến vật chất. Xét cho cùng, không gian nhà máy cũng như lực lượng lao động là nguồn tài nguyên hữu hạn. Khi số lượng các dự án này tăng lên, tác động của nó đối với các nhà cung cấp là gì?

Chúng tôi đã trò chuyện với Hauke​​Jürgensen, Phó Chủ tịch cấp cao của Bộ phận Grid Solutions tại Công ty Siemens Energy (Đức) với những hiểu biết mới nhất của Jürgensen về việc dòng dự án VSC-HVDC này đang ảnh hưởng như thế nào đến các nhà cung cấp và những gì đang thực hiện để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng. 

Jürgensen nói: “Thị trường HVDC đang mở rộng hơn bao giờ hết. Siemens Energy có các dự án HVDC trong mọi giai đoạn phát triển, từ thiết kế, chế tạo và đi vào xây dựng. Đồng thời, trên khắp thế giới, số lượng các đề xuất đang tăng lên với nhịp độ chưa từng thấy. Tình hình này khuyến khích các nhà chế tạo thực hiện cách tiếp cận khác để xử lý xu hướng đi lên này. Theo đúng nghĩa đen, cần có một tư duy khác thường và nó đang khuyến khích các nhà cung cấp cân nhắc việc vượt qua các ranh giới khiến nhiều người trong ngành ngạc nhiên.”

Jürgensen giải thích: “Để đáp ứng nhu cầu tăng cao của khách hàng, nhiều nhà cung cấp gợi ý khách hàng thay thế các quy định kỹ thuật tùy chỉnh bằng các quy định kỹ thuật chức năng. Các quy định kỹ thuật chức năng sẽ nêu bật nhu cầu tiêu chuẩn hóa các thiết bị HVDC. Yếu tố then chốt của khả năng tương tác là tiêu chuẩn hóa, và điều đó là cần thiết đối với một ngành có nguồn lực hữu hạn về không gian nhà máy, thiết bị, nhân lực có tay nghề cao, v.v. Một nền tảng cung cấp rộng hơn để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về các mạch liên kết truyền tải HVDC. Từ bỏ các hệ thống độc quyền sang kiến ​​trúc mở sẽ làm tăng các nguồn lực dây chuyền cung ứng và đẩy nhanh các dự án HVDC của mọi người, giúp cải thiện độ dẻo dai của lưới điện.” 

Jürgensen tiếp tục: “Khả năng tương tác cũng là một yếu tố thiết yếu để phát triển công nghệ HVDC nhiều đầu nối cần thiết cho một lưới điện HVDC dạng mắt lưới. Một yếu tố quan trọng khác là máy cắt HVDC. Gần đây, Siemens Energy thông báo họ đã ký thỏa thuận phát triển chung (JDA) với Công ty Mitsubishi Electric (Nhật Bản) về việc phát triển máy cắt HVDC. Đây là thành phần quan trọng đối với các lưới điện dạng mắt lưới trong tương lai. Chúng tôi hy vọng máy cắt HVDC sẽ được thử nghiệm và vận hành vào năm 2027 hoặc 2028.”

Jürgensen cho biết: “Máy cắt HVDC JDA đánh dấu lần đầu tiên hai nhà cung cấp HVDC cộng tác cùng nhau để phát triển các giải pháp chung cho các lưới điện HVDC nhiều đầu nối và các lưới điện HVDC nhiều nhà cung cấp. Bằng cách cộng tác cùng nhau, Siemens Energy và Mitsubishi Electric đang đẩy nhanh quá trình tương tác cũng như phát triển các lưới điện tiên tiến ở Châu Âu và trên toàn thế giới trong tương lai. Vẫn còn rất nhiều việc phải làm, chẳng hạn như phát triển và lắp đặt các lưới điện dạng mắt lưới, nhưng Siemens Energy và Mitsubishi Electric cam kết sẽ thực hiện điều đó. Đây là một cuộc đua với thời gian, nhưng quá trình chuyển dịch năng lượng của lưới điện đòi hỏi phải có điều đó.”

Các chiến lược mới 

Tất cả chỉ là mở rộng công suất của lưới điện và thực hiện điều đó một cách nhanh chóng. Đó chính xác là những gì mà các nhà điều hành truyền tải châu Âu đang làm. Các nhà điều hành truyền tải đang phải đối mặt với việc di chuyển các khối năng lượng gió lớn ngoài khơi từ nội địa Biển Bắc đến các trung tâm phụ tải ở phía nam và họ đã đưa ra một cách tiếp cận đáng chú ý. Họ đã xác định các hành lang hoặc “siêu xa lộ” như cách gọi của chúng.

Lợi ích của nỗ lực này là đã thúc đẩy các nhà cung cấp hướng tới tiêu chuẩn hóa như đã thể hiện với việc áp dụng ±525 kilovolt (kV) làm điện áp tiêu chuẩn cho các dự án này. Với rất nhiều cơ sở đang trong quá trình thiết kế, các nhà cung cấp đang chào bán các thiết bị cùng loại, điều này tránh việc tùy chỉnh và đẩy nhanh việc giao hàng. Nó cũng cắt giảm chi phí đồng thời tăng cường việc tiêu chuẩn hóa thiết bị.

Một ví dụ về cách tiếp cận này là Lưới điện Mục tiêu. Đó là kế sách của nhà điều hành đường dây truyền tải Hà Lan-Đức TenneT. Lưới điện Mục tiêu về cơ bản là một kế hoạch cho một lưới điện trong tương lai có thể đáp ứng nhanh chóng nhu cầu điện ngày càng tăng. TenneT đã triển khai khái niệm hành lang điện để vận chuyển khối lượng lớn năng lượng từ ngoài khơi đến các khách hàng ở Hà Lan và Đức. Ít nhất, TenneT đã có một thỏa thuận khung với các đối tác của mình về 10 cơ sở HVDC dựa trên VSC ±525kV, 2,0GW và các hệ thống cáp, và còn nhiều cơ sở khác đang chờ triển khai.

Sự tiến lên ổn định của các ứng dụng HVDC dựa trên VSC đang đưa công nghệ này lên một tầm cao mới. Sự chấp nhận ngày càng tăng đang xây dựng khuôn khổ cho các dự án có khả năng tương tác và nhiều nhà cung cấp, đồng thời đặt nền móng cho việc phát triển các mạng lưới điện dựa trên VSC nhiều đầu nối thành các lưới điện dạng mắt lưới. Nó đang diễn ra nhanh hơn bất cứ thứ gì đã lường trước. Đúng vậy, chúng ta đang sống trong một thời đại rất thú vị để trở thành một phần của ngành cung cấp điện! 

Biên dịch: Bùi Thị Thu Hường

Theo “T&D World”, tháng 6/2024