Sự suy giảm quán tính ảnh hưởng đến lưới điện như thế nào và cách giải quyết

 Những người trong ngành điện hiểu được quán tính và tầm quan trọng của nó đối với sự ổn định của lưới điện. Khi thay thế các nhà máy điện nhiệt lớn và các tổ máy cung cấp quán tính khác bằng các nguồn năng lượng tái tạo vốn không cung cấp quán tính, thì sự ổn định của lưới điện sẽ bị đe dọa. Tuy nhiên, hiện nay đã có nhiều giải pháp tiết kiệm chi phí để duy trì và thậm chí cải thiện việc vận hành lưới điện.

Trong vận hành lưới điện, quán tính là năng lượng tích trữ trong các khối lượng quay của các máy phát điện đồng bộ, thường thấy trong các nhà máy điện truyền thống như nhiệt điện than, khí, hạt nhân và thủy điện. Động năng tích trữ này cung cấp phản ứng tự động và tức thời đối với những thay đổi tần số nhanh trong lưới điện.

Ví dụ như, khi xảy ra mất cân bằng đột ngột giữa nguồn điện và nhu cầu phụ tải, chẳng hạn như khi một máy phát điện lớn bị ngắt ra khỏi lưới điện hoặc một thiết bị lớn của một nhà máy đột ngột hoạt động khiến nhu cầu điện tăng vọt, thì đương nhiên khối lượng quay của các máy phát điện sẽ chống lại những thay đổi về tốc độ quay. Điều này là do năng lượng giải phóng ra khi khối lượng quay giảm xuống, hoặc ngược lại, khối lượng quay hấp thụ năng lượng thông qua việc tăng tốc độ. Quá trình này làm chậm tốc độ thay đổi tần số, cung cấp thời gian quan trọng để các hệ thống điều khiển phản ứng, giúp duy trì lưới điện ổn định trong các sự kiện quá độ.

Xét về mặt lịch sử, quán tính đóng vai trò thiết yếu đối với sự ổn định của lưới điện vì một số lý do. Vì quán tính giới hạn tốc độ thay đổi tần số (ROCOF) khi xảy ra nhiễu loạn, nên nó có thể ngăn chặn các rơle bảo vệ tác động cắt không cần thiết. Ngoài ra, những giây ổn định quý giá mà nó cung cấp cho phép các cơ chế phản ứng chính theo tần số, chẳng hạn như các điều chỉnh của bộ điều tốc.

Trong khi đó, công suất ngắn mạch của các máy đồng bộ, chẳng hạn như máy phát điện tuabin trong nhà máy điện nhiệt, cũng rất cần thiết cho việc bảo vệ và ổn định hệ thống điện. Khi xảy ra ngắn mạch, phản ứng dòng điện lớn tức thời của máy phát điện sẽ kích hoạt các rơle bảo vệ và máy cắt dòng, cho phép cô lập nhanh sự cố.

Máy phát điện đồng bộ có thiết kế đặc biệt với các cấu trúc cơ khí chắc chắn để chịu các lực điện từ sinh ra trong quá trình ngắn mạch, cùng với năng lực nhiệt để xử lý nhiệt do các dòng điện sự cố gây ra. Các cuộn dây giảm chấn và các hệ thống kích từ của chúng giúp duy trì sự ổn định trong các điều kiện quá độ, trong khi quán tính vật lý của máy phát điện ngăn chặn sự sụt giảm tần số nhanh chóng. Sự kết hợp các tính năng này cho phép hệ thống điện vượt qua các chạm chập mà không bị mất ổn định trên diện rộng hoặc hư hại thiết bị, khiến năng lực chịu ngắn mạch trở thành một tham số thiết kế cơ bản đối với các máy này.

Quá trình chuyển dịch sang năng lượng tái tạo đã tạo ra những thách thức đối với quán tính lưới điện. Các tuabin gió và các tấm pin mặt trời thường được kết nối thông qua các bộ biến tần điện tử công suất, không cung cấp phản ứng quán tính tự nhiên. Khi các máy phát điện truyền thống ngừng hoạt động, quán tính hệ thống, phản ứng ngắn mạch và các năng lực công suất phản kháng đều bị ảnh hưởng bất lợi, khiến lưới điện dễ bị ảnh hưởng bởi các sai lệch về tần số và mất ổn định hơn.

Máy bù đồng bộ: Giải pháp cải thiện lưới điện

Có một số giải pháp để giải quyết vấn suy giảm quán tính trong vận hành lưới điện. Một trong số đó là sử dụng máy bù đồng bộ. Ruediger Jansen, Giám đốc bộ phận bán hàng của Siemens Energy (Đức) tại Châu Âu và Châu Phi về các dòng sản phẩm FACTS (hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt) cho biết: "Máy bù đồng bộ là giải pháp tinh vi cho vấn đề quán tính trong lưới điện hiện đại". "Về cơ bản, chúng là các động cơ - máy phát điện đồng bộ hoạt động mà không cần kết nối với động cơ sơ cấp, chẳng hạn như một tuabin hoặc một phụ tải cơ học."

1. Bổ sung bánh đà vào máy bù đồng bộ làm tăng đáng kể quán tính quay, giúp cải thiện độ ổn định của lưới điện trong quá trình nhiễu bằng cách chống lại những thay đổi tần số đột ngột (Ảnh st)

Như Jansen đã gợi ý, máy bù đồng bộ bao gồm một máy đồng bộ kết nối trực tiếp với lưới điện. Nó bao gồm một khối quay lớn, đôi khi có thêm bánh đà (Hình 1), nhưng không phát ra công suất cơ khí. Phản ứng quán tính là do chuyển đổi động năng tích trữ trong trục quay, trục này bơm vào hoặc hấp thụ công suất điện vào hoặc ra khỏi lưới điện, hoạt động hiệu quả như một động cơ trong hệ thống.

Khi kết nối với lưới điện, máy bù đồng bộ quay ở tốc độ đồng bộ, phù hợp với tần số lưới điện. Việc trao đổi công suất phản kháng có thể kiểm soát trong điều kiện trạng thái ổn định. Bằng cách kích từ quá mức, máy bù đồng bộ có thể cung cấp công suất phản kháng; và ngược lại, bằng cách kích từ dưới mức, nó có thể hấp thụ công suất phản kháng. Nhờ đó, có thể kiểm soát mức điện áp của điểm kết nối lưới điện ở mức điện áp ổn định. Trong khi đó, nó cung cấp quán tính thông qua khối quay và có thể nhanh chóng hấp thụ hoặc cung cấp công suất thực khi xảy ra nhiễu.

Máy bù đồng bộ có một số ưu điểm. Chúng cung cấp phản ứng quán tính tức thời trong khoảng thời gian các nhiễu tần số, giống như các máy phát điện truyền thống. Chúng cũng có thể cung cấp hoặc hấp thụ công suất phản kháng, giúp điều chỉnh điện áp (Hình 2).

2. Sau khi nhà máy điện hạt nhân công suất 1,34GW ở Gundremmingen, Đức, bị tách ra khỏi lưới điện, cần có nhiều biện pháp để đảm bảo lưới điện ổn định liên quan đến quán tính và bù công suất phản kháng. Người ta đã tích hợp một máy bù đồng bộ tại Oberottmarshausen để ổn định hệ thống. (Ảnh st).

Máy bù đồng bộ có thể triển khai theo một số cách. Một là lắp đặt mới. Việc triển khai các thiết bị chuyên dụng tại những vị trí chiến lược trên lưới điện, nếu quy hoạch phù hợp, có thể mang lại một giải pháp ổn định lưới điện đáng tin cậy. Việc xây dựng mới hấp dẫn đối với khoản đầu tư dài hạn và có thể tối ưu hóa để đáp ứng các nhu cầu của khách hàng.

Một lựa chọn khác là chuyển đổi một máy phát nhiệt điện đã ngừng hoạt động thành máy bù đồng bộ bằng cách tháo bỏ tuabin. Chuyển đổi có nghĩa là tái sử dụng các tài sản hiện có, phát huy lợi thế tốt các khoản đầu tư trước đó và thường cho phép kết nối lưới điện trong thời gian ngắn.

Việc tái sử dụng một tài sản hiện có có thể rất tiết kiệm chi phí. "Bằng việc sử dụng các nhà máy điện vốn có thể bị bỏ hoang, chuyển đổi RGS (thiết bị ổn định lưới điện dạng quay) cung cấp quán tính hệ thống cần thiết, công suất ngắn mạch và công suất phản kháng cho lưới điện để cân bằng", Henkel giải thích. "Đây có thể là một lựa chọn tuyệt vời trong nhiều trường hợp."

Chuyển đổi cơ bản cung cấp giải pháp tối ưu hóa chi phí, chuyển đổi các máy phát điện tuabin hiện có thành máy bù đồng bộ một cách nhanh chóng. Như đã đề cập trước đó, máy phát điện cũng có thể mở rộng bằng khối lượng quay bổ sung từ bánh đà để cung cấp quán tính tối đa. Bánh đà (Hình 3) vận hành trong điều kiện chân không một phần và trang bị hệ thống làm mát để giảm thiểu tổn thất ma sát và giảm nỗ lực làm mát.

3. Bổ sung bánh đà giúp tăng cường phản ứng quán tính, cung cấp năng lực vượt qua sự cố tốt hơn, điều chỉnh tần số vượt trội và tăng cường khả năng đóng góp công suất ngắn mạch - những lợi ích đặc biệt có giá trị trong các hệ thống điện hiện đại có khả năng thâm nhập năng lượng tái tạo cao (Ảnh st).

Một số dự án ổn định lưới điện thành công

Máy bù đồng bộ đã khẳng định vai trò quan trọng trong việc tăng cường độ ổn định của lưới điện toàn cầu, cung cấp các dịch vụ thiết yếu trong bối cảnh hệ thống điện chuyển dịch mạnh mẽ sang năng lượng tái tạo. Khi các lưới điện trên toàn thế giới phải đối mặt với thách thức kép là ngừng phát điện theo phương thức truyền thống và đáp ứng các nguồn lực không liên tục, các ví dụ sau đây chứng minh cách sử dụng máy bù đồng bộ để giải quyết các thách thức của hệ thống điện hiện đại mà không ảnh hưởng đến độ tin cậy lưới điện.

Nhà máy điện Moneypoint, Ireland. Đây là một công trình quan trọng trong bối cảnh năng lượng của Ireland trong nhiều thập kỷ. Nằm gần Kilrush trên cửa sông Shannon, nhà máy là thành phần chính trong chiến lược đa dạng hóa các nguồn năng lượng của Ireland sau cuộc khủng hoảng dầu mỏ những năm 1970. Việc xây dựng nhà máy điện này bắt đầu vào cuối những năm 1970 và hoàn thành vào năm 1987. Nhà máy này có thiết kế với một cảng nước sâu có năng lực tiếp nhận các lô hàng than lớn, khiến nó trở nên quan trọng về mặt chiến lược đối với an ninh năng lượng của Ireland. Với công suất 915MW, Moneypoint đã trở thành nhà máy điện lớn nhất của Ireland và là nhà máy điện chạy bằng than duy nhất của quốc gia này. Trong hơn ba thập kỷ, Moneypoint đóng vai trò là viên đá tảng của hệ thống điện của Ireland, thường phát ra khoảng 25% nhu cầu điện của cả nước.

Những năm gần đây, khi Ireland cam kết thực hiện các mục tiêu khử cacbon và năng lượng tái tạo, vai trò của Moneypoint bắt đầu chuyển đổi. Sản xuất điện bằng than giảm dần. Dự án “Green Atlantic @ Moneypoint” đại diện cho sự chuyển đổi nhà máy này từ phát điện chạy bằng than sang trung tâm năng lượng tái tạo, với việc lắp đặt máy bù đồng bộ đánh dấu sự khởi đầu mới này. Việc chuyển đổi mục đích sử dụng này phát huy lợi thế cơ sở hạ tầng hiện có của địa điểm, bao gồm các kết nối điện với lưới điện và các cơ sở cảng nước sâu, để hỗ trợ tương lai năng lượng tái tạo của Ireland, đồng thời giải bài toán cân bằng tam giác năng lượng là an ninh, giá cả hợp lý và tính bền vững.

Sự gia tăng nhanh chóng của các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện gió, đang khiến việc đảm bảo ổn định lưới điện tại Ireland trở nên ngày càng khó khăn hơn. Máy bù đồng bộ tại Moneypoint (Hình 4) giúp giảm nhẹ một số thách thức đó. Máy bù bao gồm bánh đà lớn nhất thế giới (130 tấn) kết hợp với rotor 66 tấn quay với tốc độ 3.000 vòng/phút, cung cấp quán tính 4.000MW-giây.

4. Máy bù đồng bộ Moneypoint là một phần của dự án Green Atlantic @ Moneypoint, mang lại một số lợi ích chính cho lưới điện Ireland (Ảnh st)

Nhà máy điện Townsville (TPS), Australia. Đây là nhà máy điện chu trình kết hợp công suất 242MW sử dụng một tuabin khí Siemens Energy SGT5-2000E duy nhất và một tuabin hơi kết hợp (Hình 5). Nhà máy nằm cách thành phố Townsville, bang Queensland, Australia khoảng 20km về phía bắc và đi vào vận hành năm 1999. Nhà máy này cấp điện cho Thị trường Điện Quốc gia (NEM). Đầu ra từ tuabin khí của TPS kết nối với mạng lưới điện Powerlink 132kV và đầu ra của tuabin hơi của nhà máy kết nối với mạng lưới điện Ergon 66kV.

5. Việc bổ sung một bộ ly hợp tự chuyển dịch đồng bộ (SSS) vào trục giữa tuabin khí và máy phát điện đồng bộ tại Nhà máy điện Townsville là phương án ít tốn kém nhất để tăng cường độ ổn định của hệ thống. Bộ ly hợp cho phép chuyển đổi gần như tức thời từ chế độ phát điện sang chế độ bù đồng bộ (Ảnh st)

Nhà máy đã trải qua một số lần nâng cấp và cải tạo nâng cấp trong những năm qua để nâng cao hiệu suất và cắt giảm phát thải. Tuy nhiên, gần đây nhất, chủ sở hữu đã quyết định chuyển đổi tuabin khí và máy phát điện tại địa điểm này thành Bộ ổn định lưới điện kiểu quay dạng hybrid (RGS) do những lo ngại của Powerlink về tính ổn định của lưới điện khi tỷ lệ năng lượng tái tạo trong cân bằng năng lượng của Australia đã tăng lên.

Cơ quan điều hành thị trường năng lượng Australian (AEMO) yêu cầu các nhà điều hành lưới điện, bao gồm cả Powerlink, cung cấp mức sự cố tối thiểu và đảm bảo độ bền của hệ thống. Sau khi xem xét tám giải pháp khả thi khác nhau, Powerlink kết luận rằng việc bổ sung một bộ ly hợp vào trục giữa tuabin khí và máy phát điện đồng bộ tại TPS là phương án ít tốn kém nhất để giải quyết tình trạng thiếu hụt.

Dự án điện Intermountain, Mỹ

Dự án điện Intermountain (IPP) nằm ở vùng Great Basin thuộc phía Tây bang Utah. Dự án đã phát ra trung bình hơn 13TWh điện mỗi năm từ hai tổ máy đốt than của mình.

Hoạt động liên tục kể từ năm 1986, IPP là câu chuyện về sự hợp tác chưa từng có. Điện năng mà dự án phát ra truyền qua hệ thống truyền tải điện xoay chiều và điện một chiều cao áp (HVDC) có đến 35 đơn vị tham gia hoạt động trên khắp sáu bang, mặc dù phần lớn điện cung cấp cho khách hàng ở các bang Utah và California. Những đơn vị tham gia bao gồm 29 thành phố và thị trấn vận hành các công ty điện lực của riêng họ.

Trong bối cảnh các hợp đồng mua bán điện hiện tại của các thực thể này đã gần hết hạn, Intermountain Power Agency (IPA) - chủ sở hữu nhà máy - đã mở rộng vai trò của mình như một trung tâm năng lượng khu vực, bao gồm cả việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo để sản xuất và tích trữ hydro để phát điện không phát thải cacbon. Là một phần của dự án mà IPA gọi là “IPP Renewed”, các tổ máy phát điện chạy bằng khí tự nhiên mới đã lắp đặt có khả năng sử dụng hydro để phát ra công suất phát điện ròng là 840MW. Dự án sử dụng phần lớn cơ sở hạ tầng hiện có của IPP nhưng cũng bao gồm việc hiện đại hóa Hệ thống truyền tải phía Nam của IPP.

Đồng thời, người ta cũng sử dụng các hang động tích trữ ngầm trong một mái vòm muối độc đáo nằm sâu bên dưới nhà máy điện để tích trữ hydro nhằm cung cấp nhiên liệu cho nhà máy điện. IPP sẽ sử dụng hydro sạch tạo ra từ quá trình điện phân năng lượng tái tạo này làm nhiên liệu có thể điều độ. Các tuabin nhà máy điện mới sẽ có thiết kế để sử dụng 30% nhiên liệu hydro khi khởi nghiệp, chuyển sang 100% hydro vào năm 2045.

Dự án cũng sẽ làm nổi bật vai trò công nghệ quan trọng của Siemens Energy trong việc tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo và tăng cường tính ổn định của lưới điện. Các máy biến áp trang bị giải pháp Siemens Energy Sensformer, sử dụng các mô hình độc quyền để đánh giá dữ liệu từ các cảm biến vật lý và ảo, cho phép bảo trì và vận hành hiệu quả tối ưu. Trong khi đó, ba máy bù đồng bộ sê-ri SGen-2000P sẽ làm tăng đáng kể sản lượng điện từ IPP đến những người tham gia dự án ở Nam California. Trên thực tế, đường dây HVDC từ Delta (bang Utah) đến Adelanto (bang California) không thể hoạt động ở công suất 100% nếu không có các máy bù này. Đáng chú ý, đây là dự án máy bù lớn nhất tại một địa điểm ở Mỹ và có thể là trên toàn thế giới.

Nhà máy điện Killingholme, Vương quốc Anh

Đi vào hoạt động từ năm 1992, Killingholme có lịch sử đổi mới phong phú và là nơi có một trong những nhà máy điện chạy bằng khí lớn nhất Vương quốc Anh. Là một trong những nhà sản xuất điện hàng đầu tại Vương quốc Anh, Uniper luôn cung cấp các dịch vụ ổn định lưới điện. Khi cơ quan điều hành hệ thống lưới điện của vương quốc này là National Grid ESO, khởi động dự án Stability Pathfinder, Killingholme là một địa điểm chính để Uniper cung cấp các dịch vụ ổn định lưới điện chuyên nghiệp. Để thực hiện điều đó, Uniper đã tìm cách chuyển đổi mục đích sử dụng các máy phát điện tuabin hơi sau khi chuyển đổi nhà máy điện từ nhà máy chu trình hỗn hợp sang nhà máy chu trình hở vào năm 2017.

Chuyển đổi máy phát điện tuabin hiện có và lắp thêm bánh đà là một công việc lớn đối với nhà máy (Hình 6).

6. Uniper đã chỉ định Siemens Energy lắp đặt và đưa vào vận hành hai tổ máy bù đồng bộ tại Nhà máy điện Killingholme ở Lincolnshire, Vương quốc Anh. Việc này bao gồm cải tạo hai máy phát điện tuabin hơi và lắp đặt bánh đà tại nhà máy này (Ảnh st)

Nhóm đã tháo bỏ tuabin hơi nước và tái sử dụng máy phát điện làm bộ ổn định mạng lưới điện. Sau đó, họ lắp thêm bánh đà vào vị trí để cung cấp quán tính tối đa. Việc chuyển đổi này cung cấp nhiều dịch vụ rất cần thiết cho mạng lưới điện của khu vực.

Giải pháp hiệu quả cho tương lai

Khi các hệ thống điện trên toàn thế giới đang trải qua quá trình chuyển đổi phức tạp hướng tới việc biến năng lượng tái tạo trở thành nguồn chủ đạo, máy bù đồng bộ là công nghệ cầu nối quan trọng kết hợp các nguyên tắc ổn định lưới điện truyền thống với các mục tiêu giảm phát thải cacbon hiện đại. Những ví dụ nêu trên chứng tỏ rằng các máy quay tưởng chừng đơn giản này lại mang đến những giải pháp tinh vi cho một số thách thức cấp bách nhất mà lưới điện hiện đại đang phải đối mặt.

Bằng cách cung cấp các dịch vụ hệ thống thiết yếu - quán tính, độ bền ngắn mạch và hỗ trợ công suất phản kháng - máy bù đồng bộ cho phép đạt được độ thâm nhập năng lượng tái tạo sâu hơn, đồng thời nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Khả năng cải thiện cơ sở hạ tầng hiện có tại các nhà máy điện truyền thống mang lại lợi ích cho kinh tế và môi trường, chuyển đổi các tài sản có nguy cơ bị bỏ phế thành nguồn lực hữu ích cho lưới điện.

Trong khi thế giới hướng tới một tương lai với các mức nguồn lực dựa trên bộ nghịch lưu ngày càng tăng, máy bù đồng bộ khiêm tốn này - một công nghệ có nguồn gốc từ hàng thế kỷ - có thể chứng minh là một trong những yếu tố quan trọng nhất tạo nên tương lai năng lượng sạch. Đối với các nhà điều hành lưới điện và các nhà hoạch định chính sách, các công trình lắp đặt này không chỉ là giải pháp kỹ thuật mà còn là chiến lược đầu tư nhằm tạo ra các hệ thống điện bền vững, ổn định và cuối cùng là xây dựng các hệ thống điện bền vững, có khả năng hỗ trợ cuộc cách mạng năng lượng tái tạo.

Biên dịch: Chu Thanh Hải

Theo “Power”, số tháng 6/2025