Máy bù đồng bộ khôi phục quán tính lưới điện

Máy bù đồng bộ (Ảnh st)

Thúc đẩy tham vọng phát thải cacbon ròng bằng không của thế giới có nghĩa là các công ty điện lực đang chuyển dịch sang năng lượng tái tạo, nhưng điều này đang làm giảm mức quán tính quay rất quan trọng đối với hoạt động ổn định. Kristina Carlquist, Tổng Giám đốc, Bộ phận Máy bù đồng bộ, Tập đoàn ABB (Thụy Sĩ) giải thích cách thức công nghệ đã được chứng minh rõ ràng này đang giúp khôi phục lại sự cân bằng trong các dự án từ Quần đảo Faroe đến lưới điện trên đất liền của Vương quốc Anh.

Trong các lưới điện truyền thống, dựa trên nhà máy lớn, tập trung, có thể có hàng trăm máy phát điện hoạt động đồng bộ. Điều này có nghĩa là chúng được khóa với nhau một cách hiệu quả, quay với cùng tần số. Đây là nguồn gốc của quán tính quay, còn gọi là dự trữ động năng, đóng vai trò sống còn trong việc giữ cân bằng lưới điện trên thế giới. Nếu không may có sự thay đổi đột ngột về điều kiện vận hành, chẳng hạn như một máy phát điện bị ngắt khỏi lưới điện, năng lượng tích lũy cộng dồn bởi tất cả các máy phát đồng bộ sẽ phản ứng nhanh, khả dụng trong vòng vài giây, để chống lại sự thay đổi này.

Điều này đảm bảo rằng tần số của hệ thống vẫn nằm trong giới hạn được kiểm soát chặt chẽ đủ lâu để hệ thống điều khiển lưới điện phát hiện sự cố và thực hiện hành động thích hợp.

Nhu cầu chuyển dịch càng nhanh càng tốt sang phát điện khử cacbon có nghĩa là độ thâm nhập lưới điện của năng lượng gió và mặt trời phải tăng lên. Tuy nhiên, các nguồn lực tái tạo không thể đóng góp quán tính thực sự cho lưới điện. Hơn nữa, nhiều nhà máy điện đồng bộ lớn vốn đang cung cấp quán tính đang bị ngừng hoạt động. Kết quả tổng thể là mất đi một lượng quán tính ròng đáng kể. Tình hình ở Vương quốc Anh minh họa lý do tại sao sự mất quán tính này là mối quan tâm.

Năm 2016, báo cáo Khung khả năng vận hành Hệ thống Lưới điện Quốc gia đã ước tính rằng quán tính khả dụng của hệ thống nằm trong khoảng từ tối thiểu là 100 đến tối đa là 350 gigavolt ampe giây (GVA.s). Đến năm 2025-2026, con số này dự kiến ​​sẽ giảm xuống mức tối thiểu khoảng 75 và tối đa là dưới 300GVA.

Trong Báo cáo Chiến lược Khả năng Hoạt động xuất bản vào năm 2021, Công ty National Grid (Vương quốc Anh) cho biết chính sách hiện tại của họ là đảm bảo để quán tính của hệ thống luôn ở mức trên 140GVA.s. Tuy nhiên, báo cáo lưu ý rằng trong tương lai, quán tính tối thiểu của hệ thống có thể thấp tới 96GVA.s để vận hành không cacbon vào năm 2025. Hơn nữa, các nghiên cứu đã được thực hiện để xem xét các hậu quả của một trong những tổn thất tiềm năng lớn nhất từ ​​hệ thống, đó là 1,8GW – tương đương với một mạch kết nối lớn ngừng hoạt động. Trong kịch bản đó, để giới hạn Tốc độ Thay đổi Tần số (RoCoF) ở mức chấp nhận được dưới 0,5Hz, quán tính phải được duy trì trên mức 90GVA.s.

Nhu cầu giải quyết những thách thức về quán tính mới là nguyên nhân dẫn đến mối quan tâm mới đối với máy bù đồng bộ (SC).

Đây là những thiết bị quay có thể đưa lượng quán tính bị thiếu trở lại lưới điện bằng cách bắt chước hoạt động của nhà máy điện đồng bộ. Điều này cung cấp một cách rất hiệu quả chi phí và đáng tin cậy để duy trì chất lượng điện năng. Nó cũng cung cấp khả năng bảo vệ dòng sự cố cần thiết để tăng cường sức mạnh cho lưới điện yếu.

Các SC có thiết kế rất giống với các động cơ lớn và máy phát điện lớn. Tuy nhiên, có hai điểm khác biệt: SC không truyền động bất cứ thứ gì nên không phải là động cơ; SC cũng không phải là máy phát điện vì nó không có động cơ sơ cấp. Trước đây, các SC được coi là những yếu tố sống còn trong lưới điện vì chúng được sử dụng để tạo ra công suất phản kháng nhằm cân bằng các phụ tải phản kháng cao trên lưới điện, ví dụ như các động cơ điện. Những năm gần đây, các thiết bị dựa trên điện tử công suất đã thay thế các SC. Bây giờ các SC đang được quan tâm trở lại.

Giúp Quần đảo Faroe chuyển dịch sang 100% năng lượng tái tạo

SEV là công ty điện lực dịch vụ Quần đảo Faroe ở Bắc Đại Tây Dương. SEV hoạt động như một nhà điều hành truyền tải (TSO) cũng như một nhà điều hành phân phối (DSO) đồng thời sở hữu nhiều nhà máy điện. Năm 2014, SEV đã công bố tầm nhìn của mình đối với Quần đảo Faroe để trở thành nhóm đảo xanh nhất thế giới bằng cách đáp ứng mọi nhu cầu năng lượng của đất nước này từ các nguồn tài nguyên tái tạo vào năm 2030.

Để đạt được điều này, SEV dự định sử dụng điện xanh từ thủy điện, điện mặt trời, gió và các dòng thủy triều tiềm năng. Quá trình chuyển dịch sẽ mang lại những lợi ích kinh tế quan trọng vì Quần đảo Faroe sẽ không còn phụ thuộc vào việc nhập khẩu nhiên liệu hóa thạch đắt đỏ.

Điện gió trên Quần đảo Faroe (Ảnh st)

Năm 2021, 40% sản lượng điện của SEV là tái tạo, nhưng với việc mở rộng điện gió vào năm 2022, tỷ lệ năng lượng tái tạo dự kiến ​​sẽ tăng lên, đạt hơn 50% vào năm 2023. Một thách thức đáng kể đối với SEV là việc ngừng hoạt động nhà máy điện chạy bằng nhiên liệu diesel hiện tại có thể ảnh hưởng đến sự ổn định của lưới điện. Điều này có thể ảnh hưởng đến ngành công nghiệp chế biến cá và nuôi trồng thủy sản vốn là ngành đóng góp chính cho GDP của người dân Faroe.

Một yếu tố quan trọng là quốc gia này không thể nhờ cậy hỗ trợ lưới điện từ bên ngoài vì không có dây cáp điện nào kết nối các đảo này với các nước láng giềng. SEV đang làm việc với ABB để lắp đặt các SC nhằm giữ cân bằng lưới điện. SC đầu tiên hiện đang hoạt động trên đảo Suðuroy. Hòn đảo bị cô lập về điện này nằm ở cực nam của quần đảo và dựa vào một hệ thống điện hybrid với dầu FO nặng, thủy điện, điện gió và điện mặt trời PV.

SC này đã được lắp đặt tại Trang trại gió Porkeri công suất 6MW cùng với hệ thống tích trữ điện bằng acquy. Hiện tại, điện gió có thể đáp ứng 100% nhu cầu của hòn đảo vào những thời điểm có điều kiện gió tốt đồng thời vẫn đảm bảo sự ổn định và độ tin cậy của lưới điện.

SEV đã tiếp nối công trình lắp đặt này với một thiết bị 15MVA tương tự cho lưới điện chính phục vụ 11 hòn đảo. Nó nằm ở làng Sund, gần thủ đô Tórshavn của Faroe trên đảo Streymoy.

Dự kiến, thiết bị này ​​sẽ nối lưới vào năm 2023. Các acquy và SC khác được lên kế hoạch cho các địa điểm khác trong lưới điện chính trong tương lai gần.

Các SC quán tính cao cho Statkraft ở Liverpool

Statkraft, nhà sản xuất năng lượng tái tạo lớn nhất châu Âu, đã lắp đặt hai hệ thống SC quán tính cao cho dự án Lister Drive Greener Grid ở thành phố Liverpool, xứ Anh.

Dự án đổi mới này sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định lưới điện địa phương để xử lý nhiều điện gió và điện mặt trời hơn, giúp National Grid đạt được mục tiêu vận hành hệ thống điện không cacbon vào năm 2025.

Bản phác họa dự án Lister Drive (Ảnh st)

Địa điểm Lister Drive đã được chọn gần một trạm biến áp hiện có cho phép hai SC kết nối với lưới điện ở cấp điện áp 400kV. Đây là dự án đầu tiên của ABB trên thế giới có cấu hình SC quán tính cao. Việc kết hợp một SC 67MVAr với một bánh đà 40 tấn giúp tăng quán tính tức thời có sẵn lên 3,5 lần.

Ưu điểm của việc kết hợp SC cỡ trung bình với bánh đà là nó nhân quán tính khả dụng lên nhiều lần và tổn thất cũng thấp hơn rất nhiều so với lắp toàn bộ theo quán tính như một SC. Lược đồ này là giải pháp hiệu quả chi phí sử dụng hai SC cỡ trung bình cùng với các lợi ích của mức dư thừa cao, quán tính tăng cao và khả năng kiểm soát tốt hơn.

Cùng với nhau, hai tổ máy của Statkraft ở Liverpool sẽ cung cấp một quán tính tổng hơn 900MW.s. Điều đó có nghĩa là Lister Drive sẽ cung cấp khoảng 1% tổng yêu cầu quán tính tối thiểu dự kiến ​​của Vương quốc Anh vào năm 2025.

Để đảm bảo tính sẵn sàng 24/24 cho hệ thống quan trọng này, Statkraft đã ký hợp đồng dịch vụ 10 năm với nhóm dịch vụ hiện trường của ABB tại Vương quốc Anh để cung cấp đầy đủ các dịch vụ bảo trì, cả theo kế hoạch và phản ứng nhanh. 

Các giải pháp theo dõi tình trạng kỹ thuật số sẽ được triển khai để tối ưu hóa tính năng và tiên đoán nhu cầu bảo trì. Bằng cách đánh giá dữ liệu thời gian thực với phân tích dựa trên đám mây, nhóm sẽ có thể lập kế hoạch hành động khắc phục trước khi xảy ra sự cố, đảm bảo độ tin cậy của hệ thống.

Trên toàn thế giới, sự thâm nhập lưới điện của năng lượng tái tạo đang tiến bộ nhanh chóng. Tin vui này cũng đang tạo thêm một số thách thức đối với sự ổn định của lưới điện.

Đôi khi, thậm chí cần phải đóng cửa các trang trại gió và vận hành các nhà máy điện khí để giữ tần số lưới điện trong giới hạn vận hành có thể chấp nhận được.

Việc triển khai các máy bù đồng bộ có thể giúp biến điều này thành dĩ vãng bằng cách duy trì sự ổn định mà không tiêu tốn nhiên liệu hóa thạch. Thành công liên tục của thế hệ các SC mới đang mở ra khả năng phát triển nhiều dự án tiếp theo trên toàn thế giới.

Được đặt tại các điểm chiến lược trên lưới điện, các SC sẽ giúp ngăn chặn sự cố mất điện, đảm bảo sự ổn định và quan trọng nhất là góp phần giảm phát thải khí nhà kính từ sản xuất năng lượng.

Biên dịch: Phạm Gia Đại

Theo “PEI”, tháng 2/2023