Đăng ký thành viên

Lợi ích của máy phát điện đồng bộ trong lưới điện siêu nhỏ

Khi nhiều nguồn năng lượng tái tạo hơn và nhiều bộ tích trữ bằng acqui hơn được tích hợp vào hệ thống điện, các kỹ sư tư vấn phải đối mặt với nhiều thách thức có thể ảnh hưởng đến thiết kế và tính năng tổng thể của các giải pháp này. Ngày nay, hộ tiêu thụ điện có thể trở thành nhà sản xuất điện khi điện mặt trời áp mái, máy phát điện sau công tơ và hệ thống tích trữ năng lượng bằng acqui trở nên kinh tế hơn và phổ biến hơn. Ngoài ra, những lo ngại về độ tin cậy cấp điện của công ty điện lực truyền thống do cơ sở hạ tầng xuống cấp, các hiện tượng thời tiết cực đoan và các phụ tải nhạy cảm hơn đã dẫn đến việc áp dụng rộng rãi hơn các lưới điện siêu nhỏ.

Lưới điện siêu nhỏ là gì?

Lưới điện siêu nhỏ là lưới điện địa phương có năng lực điều khiển. Lưới điện siêu nhỏ có thể được ngắt kết nối khỏi lưới điện truyền thống và vận hành độc lập. Một số lưới điện siêu nhỏ có thể hoàn toàn không nối lưới và là nguồn điện chính cho người dùng cuối mà nó phục vụ.

Lưới điện siêu nhỏ có thể tích hợp nhiều nguồn điện truyền thống và tái tạo khác nhau, chẳng hạn như tổ máy phát điện diesel hoặc khí tự nhiên, tuabin gió, tấm pin mặt trời, pin nhiên liệu và bộ tích trữ năng lượng. Làm việc với một nhà cung cấp hệ thống điện có uy tín, hiểu đầy đủ về không gian thiết kế hệ thống điện có thể đảm bảo thiết kế tốt một giải pháp lưới điện siêu nhỏ mà đạt được các mục tiêu của dự án (Hình 1).

1. Phòng thí nghiệm lưới điện siêu nhỏ mới mang tên Trung tâm Tích hợp Điện (PIC) tại cơ sở Hệ thống Điện ở thành phố Fridley, bang Minnesota, Mỹ (Ảnh st)

Các thành phần thường có trong lưới điện siêu nhỏ

Các công nghệ dựa trên bộ nghịch lưu cũng như các máy điện đồng bộ thường được tích hợp vào các lưới điện siêu nhỏ. Một số thành phần có thể được sử dụng trong lưới điện siêu nhỏ bao gồm:

Tấm pin quang điện: Các tấm pin quang điện, còn gọi là các tấm PV mặt trời, chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện năng một chiều (DC). Các tấm pin mặt trời cần một bộ nghịch lưu để biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều (AC) để sử dụng trong hầu hết các thiết bị điện thông thường.

Tuy nhiên, điện mặt trời có tính gián đoạn cao và một mình nó không thể cung cấp nguồn điện liên tục. Do đó, các tấm pin mặt trời thường được ghép nối với các hệ thống tích trữ năng lượng bằng acqui để đảm bảo khả năng sử dụng và độ tin cậy cao hơn.

Tích trữ năng lượng bằng ăcquy. Tích trữ bằng acqui khi kết hợp với các nguồn năng lượng gián đoạn như tấm PV có thể giải quyết tình trạng thất thường của các nguồn năng lượng tái tạo. Vào ban ngày khi năng lượng mặt trời dồi dào, điện năng phát ra vượt quá nhu cầu phụ tải có thể được tích trữ trong acqui. Nếu công ty điện lực cho phép, acquy cũng có thể nạp điện từ lưới điện điện lực khi biểu giá điện xuống thấp nhất. Trong các khoảng thời gian giá điện cao, acquy phóng điện để tránh phí nhu cầu tốn kém. Giống như các tấm PV, acqui là một nguồn điện một chiều và sử dụng bộ nghịch lưu để nạp hoặc phóng điện vào một hệ thống điện xoay chiều.

Tuabin gió. Lưới điện siêu nhỏ cũng có thể sử dụng tuabin gió. Giống như các tấm PV, tuabin gió là nguồn điện không liên tục, chỉ phát điện khi có đủ gió. Vị trí địa lý ảnh hưởng lớn đến tính khả thi của việc sử dụng năng lượng gió trong lưới điện siêu nhỏ nhưng nếu đặt ở đúng vị trí, tuabin gió có thể mang lại lợi ích rất lớn.

Pin nhiên liệu. Công nghệ pin nhiên liệu đã được cải tiến đều đặn với hiệu suất cao hơn, mật độ công suất tăng cao và chi phí giảm thấp. 

Bộ nghịch lưu. Để kết nối đầu ra DC của pin mặt trời, bộ tích trữ và pin nhiên liệu với mạng lưới điện xoay chiều (AC), trước tiên đầu ra DC phải được đảo ngược thành nguồn AC. Bộ nghịch lưu là thiết bị điện tử dựa trên chất bán dẫn, sử dụng các transistor lưỡng cực có cực điều khiển cách ly (IGBT) để chuyển đổi nguồn DC thành nguồn AC bằng cách bật/tắt các IGBT theo một trình tự và tốc độ được xác định trước để tạo ra các xung dòng điện, được gọi là điều biến. Các bộ lọc bổ sung và các linh kiện điện tử khác được sử dụng ở các giai đoạn khác nhau của quá trình chuyển đổi để tạo ra dạng sóng hình sin sạch.

Trong các bộ biến tần tạo lưới, chuẩn điện áp phải được thiết lập trước bởi một nguồn năng lượng AC khác (chẳng hạn như công ty điện lực hoặc bộ máy phát điện) để bộ biến tần đồng bộ hóa. Trong bộ biến tần tạo lưới, không cần điện áp chuẩn và bộ biến tần có thể thiết lập điện áp của mạng lưới điện một cách độc lập. 

 Động cơ đồng bộ (Bộ máy phát điện). Trong khi tấm PV và các acqui là các thiết bị điện một chiều thì hầu hết các thiết bị điện sử dụng nguồn điện xoay chiều. Về bản chất, một tổ máy phát điện tạo ra nguồn điện xoay chiều và có thể được sử dụng trực tiếp để cấp điện cho các phụ tải điện xoay chiều theo yêu cầu và có thể được đấu song song với các nguồn điện xoay chiều khác ví dụ như lưới điện điện lực.

Việc tích hợp một máy điện đồng bộ vào một ứng dụng lưới điện siêu nhỏ có nhiều lợi ích vì chúng là nguồn điện đáng tin cậy, có thể điều độ, mà nếu có sẵn nhiên liệu thì luôn có thể sử dụng để đáp ứng nhu cầu phụ tải điện (Hình 2). Máy phát điện với mật độ công suất cao có thể khởi động nhanh chóng, chấp nhận những phụ tải khối lớn và cung cấp tham chiếu cho các thành phần theo lưới, chẳng hạn như bộ nghịch lưu PV hoặc acqui. Với các bộ điều khiển thông minh trong các tổ máy phát điện hiện đại, việc hòa đồng bộ tự động và chia sẻ phụ tải có thể được thực hiện ở cấp độ thiết bị.

2. Trung tâm Tích hợp Điện cho phép trực tiếp thử nghiệm nhiều giải pháp hệ thống điện tiềm năng. Điều này cho phép tiết kiệm thời gian, tiết kiệm chi phí và khả năng tối ưu hóa một hệ thống điện có một không hai cho dự án của họ (Ảnh st)

Có rất nhiều tổ máy phát điện có sẵn ở các mức công suất khác nhau mà chấp nhận các loại nhiên liệu khác nhau, hoạt động trong các chu kỳ làm việc khác nhau và tạo ra các mức độ tiếng ồn và phát thải để đáp ứng các yêu cầu cụ thể của dự án. Các tổ máy phát điện cũng cung cấp quán tính cho hệ thống lưới điện siêu nhỏ mà các nguồn năng lượng dựa trên biến tần không thể cung cấp, góp phần vào sự ổn định chung của hệ thống. Ví dụ, một số lưới điện siêu nhỏ bao gồm máy phát điện đồng bộ và năng lượng PV sẽ yêu cầu công suất tối thiểu của máy phát điện đồng bộ phải luôn hoạt động để duy trì quán tính.

Hai mối quan tâm phổ biến khi sử dụng các tổ máy phát điện dùng cho lưới điện siêu nhỏ và các ứng dụng chính là tiếng ồn và phát thải, với áp lực phải có trách nhiệm với môi trường và xã hội ngày càng tăng. Thị trường có sẵn các tổ máy phát điện hiện đại phát thải đặc biệt thấp do những tiến bộ trong công nghệ đốt. Ngoài ra, các nhiên liệu cacbon thấp như khí đốt tự nhiên tái tạo (RNG) và khí sinh học có thể được sử dụng cho hoạt động trung hòa cacbon. Tiếng ồn và phát thải tại hiện trường cũng có thể được giảm thiểu thông qua các bộ điều khiển thông minh, tối ưu hóa việc sử dụng từng tài sản để giảm thiểu thời gian và thời điểm vận hành.

Đấu song song các nguồn điện AC

Để đấu song song hoặc kết nối các nguồn điện xoay chiều, một số đặc tính của điện áp đầu ra xoay chiều phải giống nhau hoặc nằm trong dải chấp nhận được. Điều thiết yếu là dạng sóng và thứ tự pha phải giống nhau. Ngoài ra, tần số, góc pha và biên độ điện áp phải nằm trong dải chấp nhận được để đấu song song các nguồn xoay chiều một cách an toàn và hiệu quả.

Các tổ máy phát điện đồng bộ đương nhiên phát ra điện áp xoay chiều và chúng có thể hoặc là ở chế độ chia sẻ phụ tải (tương tự như bộ nghịch lưu tạo lưới) hoặc là ở chế độ điều chỉnh phụ tải (tương tự như bộ nghịch lưu bám theo lưới). Chia sẻ phụ tải là sự phân chia theo tỷ lệ số kW và kVAR phụ tải tổng giữa nhiều tổ máy phát điện trong một hệ thống đấu song song và là thiết yếu để tránh các vấn đề quá tải. Trong chia sẻ phụ tải, các tổ máy phát điện điều chỉnh điện áp và tần số của chúng, và có thể là đẳng thời (chiếm thời gian bằng nhau), hoặc là điện áp và tần số được duy trì không đổi 100% bất kể phụ tải là bao nhiêu, hoặc là điện áp và tần số thay đổi khi phụ tải thay đổi. Chia sẻ phụ tải đẳng thời cung cấp điện áp và tần số không đổi, nhưng yêu cầu các nguồn điện phải truyền thông với nhau. 

 Chức năng điều chỉnh phụ tải áp dụng khi một tổ máy phát, hoặc nhiều tổ máy, được đấu song song với lưới điện. Bởi vì điện áp và tần số lưới điện lực là cố định, nên các tổ máy phát điện điều chỉnh công suất ra kW và kVAR của chúng, thay vì điều chỉnh tần số và điện áp.

Các bộ điều khiển song song trên bảng điều khiển máy phát điện đồng bộ cần chịu trách nhiệm về tất cả các chức năng sau:

• Đấu song song các chức năng.
• Đồng bộ hóa (Ø, V và Hz).
• Chia sẻ phụ tải (kW và kVAR).
• Bảo vệ
• Đo lường
• Cảnh báo
• Tích hợp song song thủ công an toàn.

Bộ nghịch lưu chịu trách nhiệm hòa đồng bộ, bảo vệ và đo lường ở cấp độ thấp hơn. Tuy nhiên, một khía cạnh cần thiết khi làm việc song song là chia sẻ phụ tải trên tất cả các nguồn. Chia sẻ phụ tải giữa các máy phát điện đồng bộ được thực hiện đơn giản thông qua bảng điều khiển đấu song song. Về chia sẻ phụ tải với các bộ nghịch lưu, phương pháp sẽ là đặt các tổ máy phát điện hoạt động giống như các tổ máy phát điện điện lực (chia sẻ phụ tải/chế độ tạo lưới), các bộ nghịch lưu sẽ hoạt động ở chế độ theo lưới giống như một nguồn công suất phản kháng thực không đổi (PQ) và một hệ thống điều khiển bên ngoài sẽ gửi các lệnh PQ này đến bộ nghịch lưu.

Bộ điều khiển lưới điện siêu nhỏ

Ở trung tâm hệ thống điện của bất kỳ lưới điện siêu nhỏ nào phải có một bộ điều khiển tự động. Bộ điều khiển lưới điện siêu nhỏ tối thiểu phải thực hiện được những điều sau:

• Tối ưu hóa sản lượng điện từ tất cả các nguồn năng lượng để đáp ứng nhu cầu.
• Tối đa hóa công suất đầu ra của các nguồn tái tạo.
• Điều khiển phụ tải thông qua bổ sung phụ tải và sa thải phụ tải.
• Giảm thiểu phát thải và tiêu thụ nhiên liệu.
• Đạt được Chi phí Năng lượng Quy chuẩn (LCOE) và Tổng Chi phí Sở hữu (TCO) thấp nhất cho tất cả các tài sản.
• Đảm bảo các tài sản trong hệ thống được sử dụng tốt nhất.
• Thích ứng với các điều kiện thời tiết thay đổi (chẳng hạn như độ che phủ của mây, tốc độ gió và các điều kiện khác).
• Vận hành toàn bộ hệ thống hoặc một phần hệ thống ngoài lưới điện.
• Theo dõi hoặc điều khiển tài sản từ xa với thông báo thời gian thực.

Thiết kế một lưới điện siêu nhỏ hoạt động tốt

Lưới điện siêu nhỏ có thể mang lại những lợi ích đáng kể về độ dẻo dai, tính bền vững và tiết kiệm chi phí. Mọi dự án lưới điện siêu nhỏ cần bắt đầu với một nghiên cứu khả thi và phân tích tính ổn định để xác định sự kết hợp và định cỡ tốt nhất các tài sản nhằm đáp ứng các mục tiêu của dự án (Hình 3). Trình tự vận hành dự án lưới điện siêu nhỏ cần được viết ra để đảm bảo độ dẻo dai của hệ thống và chất lượng điện năng với các chế độ lỗi giảm nhẹ. Việc đấu song song tích hợp và các thiết bị điều khiển bảo vệ tích hợp dùng cho cho các tổ máy phát điện đồng bộ cũng như bộ điều khiển lưới điện siêu nhỏ là các thành phần quan trọng để đảm bảo vận hành liền mạch, phục hồi hệ thống, phân tích chế độ sự cố và tối ưu hóa hệ thống.

3. Trung tâm tích hợp điện (PIC) bao gồm khu vực thử nghiệm ngoài trời, phòng tủ đóng cắt chính và phòng điều khiển kỹ thuật. Nhiều loại tài sản khác nhau như các tổ máy phát điện, hệ thống tích trữ năng lượng, pin nhiên liệu và bộ nghịch lưu có thể được đưa vào để thử nghiệm trong một dải rộng các cấu hình lưới điện siêu nhỏ có thể có (Ảnh st)

Như với tất cả các quy định kỹ thuật, quy định kỹ thuật lưới điện siêu nhỏ phải dựa trên chức năng và tính năng. Làm việc với một nhà cung cấp hệ thống điện có uy tín, hiểu đầy đủ về không gian thiết kế hệ thống điện có thể đảm bảo thiết kế tốt một giải pháp lưới điện siêu nhỏ mà đạt được các mục tiêu của dự án.

Biên dịch: Chu Thanh Hải

Theo “Power”, số tháng 9/2022