Đăng ký thành viên

Thiết kế lại máy biến áp cho lưới điện hiện đại

Máy biến áp trạng thái rắn, nhỏ gọn, hiệu quả và thông minh, có thể làm thay đổi cách truyền tải và quản lý điện (Ảnh st)

Các yêu cầu mới về tích hợp năng lượng tái tạo, phát triển xe điện và chuyển đổi sang lưới điện thông minh hơn đang phơi bày nhiều giới hạn của máy biến áp – vốn là xương sống của lưới điện trong hơn một thế kỷ. Để giải quyết các thách thức đó, nhiều đơn vị đang nghiên cứu và ứng dụng máy biến áp trạng thái rắn, nhỏ gọn, hiệu quả và thông minh, có thể làm thay đổi cách truyền tải và quản lý điện.

Từ phát minh đột phá về hiện tượng cảm ứng điện của Michael Faraday năm 1831, các kỹ sư đã chế tạo máy biến áp đầu tiên vào năm 1885 để tăng điện áp truyền tải hiệu quả và hạ điện áp nhằm sử dụng tại chỗ an toàn. Thiết kế truyền thống vẫn duy trì cho đến ngày nay, với ưu điểm là đơn giản, hiệu quả về chi phí và vận hành tin cậy. Tuy nhiên, khi lưới điện hiện đại ngày càng phi tập trung, hai chiều và linh hoạt hơn, máy biến áp thông thường không còn phù hợp.

David Pascualy, chuyên gia kỹ thuật về máy biến áp trạng thái rắn (SST) và điện tử công suất cho biết: "một máy biến áp thông thường không giao tiếp với lưới điện". Nếu không có thiết bị điện tử công suất hoặc cảm biến tiên tiến, các máy biến áp thông thường không thể chủ động điều chỉnh điện áp, giảm thiểu độ méo hài hoặc phản ứng động với các nhiễu loạn lưới điện. Hơn nữa, do thiếu tích hợp với các hệ thống điều khiển kỹ thuật số và giao thức truyền thông lưới điện nên chúng không thể hỗ trợ các hoạt động lưới điện thông minh, chẳng hạn như bảo trì tiên đoán hoặc tối ưu hóa thời gian thực.

Pascualy lưu ý rằng các máy biến áp truyền thống hoạt động ở tần số thấp (50/60Hz) đòi hỏi phải có các lõi và cuộn dây cồng kềnh, hạn chế khả năng mở rộng quy mô, giảm hiệu suất và khiến chúng không thực tế đối với các ứng dụng hạn chế về không gian như các trạm biến áp đô thị hoặc các giàn điện gió ngoài khơi. Ngoài ra, việc chúng phụ thuộc vào cách điện và làm mát gốc dầu gây ra các rủi ro về môi trường, dễ bị hỏng trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt hoặc tải trọng biến động, nên đòi hỏi phải bảo trì đáng kể.

Để khắc phục những hạn chế này, các chuyên gia đã tiến hành nghiên cứu về SSTm từ những năm 1960. William McMurray, kỹ sư tại Công ty General Electric (Mỹ), lần đầu tiên đề xuất khái niệm "máy biến áp điện tử" vào năm 1968 trong một thiết kế giới thiệu máy biến tần dòng điện xoay chiều thành dòng điện xoay chiều (AC/AC) tần số cao. Thiết kế này đã cho phép biến đổi điện áp bằng cách sử dụng linh kiện điện tử công suất, đánh dấu một bước tiến mới so với các máy biến áp tần số thấp truyền thống và chứng minh cách mà hoạt động tần số cao có thể giúp các thiết kế nhỏ gọn hơn và hiệu quả hơn.  Sau đó, khái niệm này đã cải tiến hơn nhờ những đóng góp như SST của JL Brooks vào năm 1980 và việc Viện nghiên cứu điện lực (EPRI) đưa vào áp dụng Máy biến áp Vạn năng Thông minh (IUT) vào năm 1995. IUT đã tích hợp các tính năng như dòng công suất hai chiều, điều chỉnh điện áp và chuyển đổi AC/DC liền mạch.

Các dự án thí điểm và ứng dụng đầy hứa hẹn

Pascualy cho biết, việc quan tâm đến các SST ngày một tăng cao khi nhu cầu hiện đại hóa lưới điện trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Các hệ thống điện hiện đại cần nhiều giải pháp có khả năng điều khiển linh hoạt, thông minh hơn và tương thích tốt với các nguồn năng lượng tái tạo. Tuy nhiên, phần lớn công nghệ SST vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu và phát triển (R&D).

Một số dự án thí điểm và sản phẩm thương mại gần đây đã cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế của SST, đặc biệt trong lĩnh vực sạc xe điện (EV) và tích hợp năng lượng tái tạo. Công ty Amperesand (Singapore) sẽ thử nghiệm các SST dựa trên silicon carbide (SiC) tại cảng Singapore vào năm 2025 để sạc EV hai chiều. Trước đó vào năm 2022, Công ty Delta (Đài Loan) đã chứng minh hiệu suất 96,5% cho các bộ sạc nhanh SST bằng công nghệ SST dựa trên SiC MOSFET. Trong khi đó, Công ty Alder Buck (Mỹ) và EPRI (Mỹ) đang phát triển các nguyên mẫu SST dùng cho các ứng dụng nhiều giai đoạn và nghiên cứu các giải pháp thay thế cho các máy biến áp phân phối 25kVA với khả năng điều chỉnh điện áp tăng cao.

Pascualy đã lưu ý rằng phần lớn các hoạt động R&D (nghiên cứu và phát triển) dành cho các SST dường như tập trung chủ yếu vào các biến đổi từ trung áp sang hạ áp, điển hình là từ phạm vi 13,2kV đến 15kV xuống các điện áp thấp hơn cho nhiều ứng dụng sử dụng cuối khác nhau (Hình 2). Trọng tâm trong ngắn hạn "sẽ thực sự ở cấp độ phân phối", mặc dù SST có khả năng mở rộng sang truyền tải điện áp cao hơn. Ông cho biết các trung tâm dữ liệu, đại diện cho một lĩnh vực quan trọng khác, đang quan tâm đến các SST vì tiềm năng của chúng là đóng vai trò là giao diện hiệu quả và tích hợp hơn giữa lưới điện AC và trung tâm dữ liệu cấp điện DC.

Hình 2. Máy biến áp trạng thái rắn (SST) có thể cho phép dòng công suất theo hai chiều hiệu quả, tích hợp năng lượng tái tạo và điều chỉnh điện áp tốt hơn trong các mạng lưới phân phối hiện đại. Lưu ý: MV = trung áp (Ảnh st)

Một số rào cản cần vượt qua

Pascualy cho biết, mặc dù công nghệ SST đang có nhiều tiến triển tích cực, ngành điện vẫn phải vượt qua một số rào cản trước khi áp dụng rộng rãi công nghệ này. Trong đó, chi phí là thách thức lớn nhất. SST hiện có giá thành cao hơn đáng kể so với máy biến áp thông thường do sử dụng vật liệu tiên tiến, thiết kế phức tạp và phụ thuộc vào linh kiện điện tử công suất dựa trên bán dẫn. Cũng như tất cả các công nghệ điện mới, SST chỉ có thể trở thành một lựa chọn khả thi cho các công ty điện lực và nhà điều hành lưới điện khi đạt quy mô sản xuất lớn và giảm chi phí chế tạo. Ngoài ra, yếu tố độ tin cậy và hiệu suất thực tế đóng vai trò quan trọng. Với cấu trúc nhiều tầng và khả năng điều khiển cao, SST sẽ cần phải trải qua quá trình thử nghiệm và đánh giá toàn diện để đảm bảo vận hành ổn định trong điều kiện thực tế khắc nghiệt của lưới điện.

Các hệ thống điện hiện đại cần nhiều giải pháp có khả năng điều khiển linh hoạt, thông minh hơn và tương thích tốt với các nguồn năng lượng tái tạo (Ảnh st)

Bước quan trọng đầu tiên có thể giúp triển khai rộng rãi hơn các SST hybrid, đó là tích hợp các chức năng của máy biến áp truyền thống và các SST tiên tiến để đạt được các thiết kế dạng mođun và hiệu quả. Các máy hybrid, được hình dung là có nhiều giai đoạn chuyển đổi điện áp, chẳng hạn như AC-DC và DC-AC và có thể bao gồm cả liên kết DC điện áp cao và điện áp thấp, phần lớn không có sẵn trên thị trường. Đại học Texas tại thành phố Austin, đã phát triển thành công một máy biến áp trạng thái rắn hybrid (HSST) 500kVA kết hợp công nghệ SST thông qua hỗ trợ tài chính của DOE theo chương trình Transformer Resilience and Advanced Components (Độ dẻo dai của máy biến áp và các thành phần tiên tiến - TRAC). Thiết bị này kết hợp công nghệ SST sử dụng cầu chủ động kép với máy biến áp khô truyền thống. Trong quá trình thử nghiệm, nhóm nghiên cứu đã đánh giá hiệu quả các chức năng nâng cao như điều chỉnh điện áp, phát hiện chạm chập và ước tính trạng thái động cho các ứng dụng lưới điện hiện đại. Song song đó, Trung tâm Hệ thống FREEDM của Đại học Bang North Carolina cũng đang đẩy mạnh các nghiên cứu liên quan đến SST, với mục tiêu nâng cao khả năng tích hợp năng lượng tái tạo và tối ưu hóa hiệu suất lưới điện.

Dù còn nhiều thách thức trong việc thương mại hóa hoàn toàn công nghệ SST, Pascualy vẫn bày tỏ sự lạc quan về tiềm năng cách mạng hóa quá trình hiện đại hóa lưới điện của công nghệ này. Ông cho biết: "Lưới điện hiện đang nhận được rất nhiều sự chú ý, nhưng chúng ta đang bổ sung thêm nhiều hơn nữa." Ông tiên đoán rằng các nỗ lực cộng tác giữa các công ty công nghệ, điện lực và các viện nghiên cứu sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy việc áp dụng rộng rãi các SST.

Biên dịch: Hồ Văn Minh

Theo “Powermag ”, tháng 2/2025