Các ứng dụng của điện tử công suất đang thay đổi cách thức hoạt động của lưới điện (Ảnh st)

Lưới điện đang diễn ra quá trình chuyển đổi. Trên thực tế, có một số quá trình chuyển đổi đang diễn ra và đó là một quá trình liên tục bình thường. Một số quá trình vẫn ở phía trước trong khi một số khác ở phía sau, nhưng có nhiều quá trình ở vị trí trung gian đang lặng lẽ định hình lưới điện. Các quá trình đó mất rất nhiều thời gian và công sức để theo kịp tất cả. Những quá trình chuyển đổi này thường liên quan đến nhau bởi chủ đề chung là cải thiện hệ thống cung cấp điện thông qua các công nghệ kỹ thuật số.

Điện tử công suất là một ví dụ. Đây là một trong những lực lượng chuyển đổi lâu đời nhất và thống trị nhất trong ngành điện với nguồn gốc kéo dài hàng thập kỷ. Các ứng dụng của điện tử công suất đang thay đổi cách thức hoạt động của lưới điện. Về cơ bản, nó dùng để chuyển đổi, điều khiển và điều hòa điện năng. Sự chuyển đổi này không có dấu hiệu chậm lại. Một số cơ quan chức năng cho biết rằng khoảng 70% điện năng ở Mỹ hiện do điện tử công suất xử lý, và điều này sẽ không dừng lại cho đến khi con số đó tăng lên 100%.

Tiến hóa không ngừng

Hệ thống BESS (Ảnh st)

Hãy cân nhắc việc triển khai ban đầu của nguồn điện gió và mặt trời với các bản sao lưu BESS (hệ thống tích trữ bằng pin) của chúng. Các nguồn năng lượng này phát ra điện DC (điện áp một chiều), cần chuyển đổi thành AC (dòng điện xoay chiều) để sử dụng trên lưới điện. Điều đó đòi hỏi một bộ nghịch lưu, nhưng những bộ nghịch lưu có sẵn tại thời điểm đó không thể xử lý được các nhiễu lưới điện mà không tự động ngắt điện. Công nghệ nghịch lưu tiên tiến tạo ra các bộ nghịch lưu định hình lưới điện, có thể quản lý các nhiễu lưới điện mà không cần ngắt điện.

Khi số lượng ngày càng tăng của các năng lượng tái tạo bắt đầu thay thế các máy phát điện lớn chạy bằng than, người ta phát hiện thêm một khó khăn khác. Quán tính lưới điện đã bị loại bỏ khi các máy phát điện truyền thống ngừng hoạt động, điều này ảnh hưởng đến sự ổn định của lưới điện. Việc phát triển bộ nghịch lưu định hình lưới điện và kết hợp với các bộ điều khiển kỹ thuật số tiên tiến giúp giải quyết các vấn đề quán tính lưới điện. Còn nhiều ví dụ nữa, nhưng điều này mang lại ý tưởng. Điện tử công suất là một công nghệ linh hoạt đến mức nhiều chuyên gia gọi nó là công nghệ tương đương với con dao của Quân đội Thụy Sĩ trong lưới điện.

Điện tử công suất là việc sử dụng các thiết bị điện tử bán dẫn để thay đổi các mức và hình dạng của dòng điện và điện áp (Ảnh st)

Về cơ bản, điện tử công suất là việc sử dụng các thiết bị điện tử bán dẫn để thay đổi các mức và hình dạng dòng điện và điện áp. Nó cải thiện việc truyền tải điện, nâng cao độ tin cậy và tăng hiệu suất hệ thống đồng thời tăng cường tính ổn định của lưới điện. Cuộc thảo luận này quan tâm đến hai ứng dụng là các bộ điều khiển HVDC (dòng điện một chiều cao áp) và FACTS (hệ thống truyền tải dòng điện xoay chiều linh hoạt).

Truyền tải HVDC đã trở thành công nghệ lựa chọn khi nói đến việc truyền tải các khối điện lớn qua những khoảng cách cực xa. Đó là sự tiến hóa của công nghệ dựa trên VSC (bộ chuyển đổi nguồn điện áp) mới đang nhận được sự quan tâm. Nó đang định nghĩa lại cả ứng dụng HVDC và FACTS mà hệ thống cung cấp điện đang sử dụng. Hãy cùng xem xét kỹ hơn về FACTS.

Bộ điều khiển FACTS có thể giải quyết và cải thiện các vấn đề về tính năng cục bộ như chất lượng điện năng và hỗ trợ tần số (Ảnh st)

Các bộ điều khiển FACTS có thể xử lý và cải thiện các vấn đề về tính năng cục bộ như chất lượng điện năng và hỗ trợ tần số. Chỉ cần đơn cử một vài ví dụ như các bộ điều khiển FACTS phổ biến nhất là TCSC (tụ điện nối tiếp điều khiển bằng thyristor), các SVC (bộ điều khiển VAR tĩnh), các STATCOM (bộ bù đồng bộ tĩnh) và UPFC (bộ điều khiển dòng công suất thống nhất). Việc bổ sung công nghệ dựa trên VSC vào các bộ điều khiển cung cấp phản hồi động nhanh hơn và điều chỉnh tốt hơn.

Trước khi có các bộ điều khiển FACTS, các công ty điện lực có ít lựa chọn khi nói đến hỗ trợ điện áp, nhưng điều đó đã thay đổi khi các SVC và các STATCOM trở nên sẵn có. Công nghệ này đã nhanh chóng tiến bộ với nhiều loại bộ điều khiển FACTS hơn. Các thiết bị này đã có thể phản ứng nhanh với các điều kiện hệ thống thay đổi nhanh chóng trong môi trường động của hệ thống điện và đã cung cấp các công cụ tinh vi mà những người điều hành lưới điện cần, nhưng sự việc không dừng lại ở đó.

Phương pháp tiếp cận toàn diện

Điện tử công suất rất quan trọng đối với phương pháp toàn diện nhằm cải thiện lưới điện như sự lan rộng của các thiết bị điện tử thông minh (IED). Chúng đã tích hợp mọi khía cạnh của hệ thống cung cấp điện, tạo ra dữ liệu thời gian thực, cung cấp cho các máy tính mạnh mẽ bằng phần mềm tinh vi và trí tuệ nhân tạo, cải thiện các hệ thống theo dõi và quản lý trong điều kiện biến động. Quan điểm mới này đã xác nhận rằng lưới điện và các vấn đề của nó có mối liên hệ chặt chẽ hơn so với suy nghĩ trước đây.

Theo truyền thống, các bộ điều khiển FACTS và các ứng dụng VSC-HVDC là một biện pháp khắc phục cục bộ hơn đối với vấn đề hạn chế. Một góc nhìn tốt hơn đã hé lộ một số vấn đề có phạm vi rộng hơn, đòi hỏi nỗ lực phối hợp để khắc phục. Các công ty điện lực và các nhà điều hành lưới điện đã có thể thấy rằng một cách tiếp cận toàn diện có lợi hơn so với các ứng dụng từng bước một.

Những thách thức mà lưới điện đang phải đối mặt đang gia tăng cả về số lượng và độ phức tạp. Chúng ta thấy những lượng năng lượng tái tạo ngày càng tăng đang lắp đặt trên lưới điện trong khi máy phát điện đốt than đang ngừng hoạt động với số lượng lớn hơn. Quán tính khả dụng thấp hơn có thể tạo ra các dòng công suất biến thiên mà tính tiên đoán được của nó đang giảm dần. Ngoài ra, nhu cầu mở rộng lưới điện để kết nối nhiều năng lượng sạch hơn và tránh tắc nghẽn cũng ngày càng tăng. Hơn nữa, nhu cầu phụ tải đang tăng nhanh hơn dự kiến, đòi hỏi phải nhanh chóng kết nối nhiều nguồn điện sạch hơn vào lưới điện. Giải quyết những vấn đề này và các vấn đề khác là mối quan ngại ngày càng tăng của mọi người liên quan đến các lưới điện toàn cầu.

Công ty Hitachi Energy (Thụy Sỹ) tin rằng ngành điện cần một phương pháp tiếp cận toàn diện khi lưới điện chuyển dịch sang một hệ thống năng lượng hiệu quả hơn và phản ứng hơn. Grid-enSure là danh mục đầu tư tích hợp hoàn toàn dựa trên thiết bị điện tử công suất tiên tiến do các hệ thống điều khiển tiên tiến quản lý phát triển cho lưới điện hiện nay. Nó bao gồm HVDC, MVDC (dòng điện một chiều trung áp), các STATCOM, các STATCOM nâng cao, các giải pháp tích trữ năng lượng và công nghệ bán dẫn. Hitachi Energy đã thiết kế Grid-enSure đặc biệt để cải thiện tính ổn định, tính linh hoạt và độ dẻo dai của lưới điện. Đây là một danh mục đầu tư tích hợp có thiết kế để củng cố hệ thống cung cấp điện.

Đó là tất cả những thứ mà các công ty điện lực yêu cầu để cải thiện khả năng của họ nhằm đáp ứng nhu cầu của khách hàng. Nếu họ cần chuyển các khối công suất lớn qua những khoảng cách cực xa, thì khi đó VSC-HVDC chính là giải pháp công nghệ. Khi cần nguồn điện dự phòng, sẽ có các công nghệ pin có sẵn để cung cấp. Pin cũng có thể hỗ trợ điện áp và ở một mức độ nào đó hỗ trợ tần số, nhưng nếu quán tính lưới điện là vấn đề thì các STATCOM nâng cao sẽ cung cấp một giải pháp tối ưu. Các STATCOM nâng cao nhanh chóng cung cấp quán tính tổng hợp bằng cách sử dụng các siêu tụ điện do các chất bán dẫn công suất cao điều khiển. Các siêu tụ điện có thể tích trữ hàng trăm megawatt-giây điện và giải phóng lượng điện đó trong vòng vài micro giây sau khi xảy ra nhiễu

Quán tính đã trở thành một trong những mối quan ngại lớn nhất trên lưới điện, nhưng Grid-enSure khắc phục vấn đề đó và nhiều vấn đề khác bằng hệ thống điện tử công suất tiên tiến và các hệ thống điều khiển tinh vi. Bất kể khách hàng cần gì cho hệ thống năng lượng của họ, danh mục sản phẩm Grid-enSure đều có thể đáp ứng.

Thế hệ tiếp theo

Đầu năm 2024, TSO (Cơ quan điều hành hệ thống truyền tải) TransnetBW của Đức thông báo rằng họ đã ký một đơn đặt hàng với Hitachi Energy cho hai cơ sở STATCOM nâng cao, lắp đặt tại các trạm biến áp ở Wendlingen và Oberjettingen (Đức). Các công trình lắp đặt này sẽ cung cấp gần 2 gigawatt quán tính lưới điện từ các STATCOM nâng cao tạo thành lưới điện 2x250MVAR. Ngoài ra còn có một hệ thống tích trữ 150MW. Việc xây dựng sẽ bắt đầu vào năm 2025 và các thiết bị sẽ đi vào hoạt động vào năm 2028.

Thật khó tin rằng điện tử công suất đã bắt đầu từ lâu đến vậy với bộ chỉnh lưu hồ quang thủy ngân. Theo quan điểm ngày nay, nó đã từng là một sự tiến hóa thú vị của chất bán dẫn công suất chuyển từ công suất hàng kilowatt sang công suất hàng gigawatt trong khi giảm đáng kể mặt bằng chiếm chỗ. Đó đã là một sự tiến triển ổn định của những tiến bộ công nghệ sáng tạo, với sự kết nối ngày càng tăng trên toàn bộ lưới điện.

Việc tích hợp các công nghệ kỹ thuật số đã tạo ra những lượng khổng lồ dữ liệu lớn. Dữ liệu lớn đòi hỏi các hệ thống vận hành và quản lý động tinh vi để biến đổi nó thành thông tin hữu ích. Công nghệ bản sao số tạo ra một mô hình ảo của lưới điện. Thông tin này cho phép theo dõi thời gian thực sự hoạt động và hành vi của nó. Nó đưa người điều hành lên một tầm cao mới về khả năng kết nối và khả năng kiểm soát mới.

Ở một khía cạnh thực tế hơn, hãy cân nhắc các nhóm trạm biến áp kỹ thuật số hoạt động cùng nhau để xử lý tình trạng tắc nghẽn bằng thông tin do các IED cung cấp trên hệ thống truyền tải và phân phối. Luồng thông tin thúc đẩy các bộ điều khiển FACTS hoạt động kết hợp với các bộ điều khiển khác và các phần tử HVDC dựa trên VSC để quản lý dòng công suất, ổn định lưới điện, cắt giảm tổn thất hệ thống và nhiều chức năng khác cần thiết cho một lưới điện dẻo dai.

Các công nghệ kể trên là chìa khóa để giảm thiểu các rắc rối phức tạp của các hệ thống điện. Năng lượng sạch gây ra một số vấn đề phân phối điện thách thức nhất, nhưng ít có khả năng là điện năng lượng tái tạo hoặc các nguồn lực năng lượng phân tán sẽ suy giảm trong tương lai. Nhu cầu về điện sẽ không biến mất và tình trạng tắc nghẽn lưới điện cũng vậy.

Lưới điện thế kỷ 21 của chúng ta cần có các hệ thống toàn diện. Việc vận hành các thiết bị điện tử công suất cùng với nhau có thể giúp cải thiện lưới điện trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn của hệ thống. Những ai phát huy được lợi thế này của điện tử công suất sẽ nhận được nhiều lợi thế. Những ai không phát huy được sẽ phải chống lại quy luật tiến hóa, điều chưa bao giờ là tốt!

Biên dịch: Chu Thanh Hải

Theo “T&D”, số tháng 11/2024

Về trang trước Lên đầu trang In bài viết