Đăng ký thành viên

Ứng phó với đường cong vịt tại bang Western Australia

Các nhà máy điện chạy bằng tuabin khí đã được cải tạo như thế nào để hoạt động như các máy bù đồng bộ, đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy tăng cao cho lưới điện bang Western Australia.

Năng lượng mặt trời dồi dào vào ban ngày có nghĩa là phần lớn điện năng ở khu vực thành phố Perth, thủ phủ bang Western Australia, do PV (điện mặt trời) cung cấp. Tuy nhiên, vào buổi sáng và cuối buổi chiều, người ta lại thấy sự chuyển đổi sang các nguồn điện truyền thống (Ảnh st)

Lưới điện Australia trước đây phụ thuộc rất nhiều vào than trong nhiều thập kỷ. Điều này đang thay đổi nhanh chóng. Một lượng lớn nguồn lực tái tạo đang được đưa vào lưới điện trong khi các nhà máy điện than dần dần ngừng hoạt động. Theo Cơ quan Vận hành Thị trường Năng lượng Australia (AEMO), có tới 90% các nhà máy nhiệt điện than tham gia Thị trường điện quốc gia (NEM) dự kiến ​​sẽ ngừng hoạt động trước năm 2035 và toàn bộ các nhà máy nhiệt điện sẽ ngừng hoạt động trước năm 2040. 

Ông Daniel Westerman, Giám đốc điều hành của AEMO cho biết: “Khi các nhà máy nhiệt điện than ngừng hoạt động, năng lượng tái tạo kết nối với truyền tải và phân phối hỗ trợ bởi tích trữ điện và nguồn điện chạy bằng khí là cách cung cấp điện có chi phí thấp nhất cho các hộ gia đình và doanh nghiệp trong quá trình chuyển dịch sang nền kinh tế phát thải ròng bằng 0 của Australia”. “Nguồn điện mới và tích trữ phải triển khai sẵn sàng trước khi các nhà máy nhiệt điện than ngừng hoạt động, và để đáp ứng nhu cầu điện ngày càng tăng của Australia.” 

Ngay trong thập kỷ này, 12,5GW sản lượng điện quy mô điện lực mới và 1,3GW/1,8GWh tích trữ năng lượng đã tham gia Thị trường Điện Quốc gia và 490km đường dây truyền tải đã xây dựng. Thêm 20GW sản lượng điện và tích trữ và 2.090km đường dây truyền tải đang chuyển từ giai đoạn quy hoạch sang giai đoạn bàn giao. Với việc bổ sung thêm nhiều năng lượng tái tạo, yêu cầu phải hỗ trợ chúng bằng đủ sự ổn định và quán tính hệ thống để đảm bảo vận hành an toàn lưới điện. Do đó, nhiều khu vực của Australia đang bổ sung thêm các máy bù đồng bộ để ổn định mức điện áp và hỗ trợ tính năng cũng như độ tin cậy của lưới điện. 

“Trong những năm gần đây, nhu cầu về các chức năng bù đồng bộ trên toàn thế giới ngày càng được chú trọng hơn”, ông Jean-Bernard Gross, Giám đốc Kỹ thuật và Bán hàng tại Australia của Nhà chế tạo hộp số Flender-Graffenstaden (Pháp) cho biết. “Điều này hài hòa với động lực thúc đẩy tích hợp năng lượng tái tạo trên toàn thế giới và nhu cầu quán tính tăng cao và sức mạnh của hệ thống.”  

Bức tranh ngành điện của bang Western Australia

Bang Western Australia (WA) chiếm khoảng một phần ba diện tích đất liền của Australia. Hầu hết là đất trống. Hai triệu trong tổng số 2,6 triệu người trong bang này nằm ở vùng đô thị Perth ở phía tây nam. 

Hệ thống tích hợp Tây Nam (SWIS) bang WA bao gồm Perth nhưng mở rộng về phía bắc, phía nam và phía đông để tiếp nhận một số trung tâm dân số xa xôi. Western Power sở hữu và vận hành cơ sở hạ tầng truyền tải và phân phối trong SWIS. Synergy là nhà sản xuất và bán lẻ điện lớn tại SWIS, phục vụ hơn một triệu hộ sinh hoạt, doanh nghiệp và khách hàng công nghiệp. Western Power và Synergy thuộc sở hữu của chính quyền bang WA. Do khoảng cách quá xa nên lưới điện NEM ở vùng phía đông của Australia không kết nối với WA. 

Điện ở SWIS được phát ra từ nhiều nguồn khác nhau. Các nhà máy nhiệt điện than, các máy phát điện chạy bằng khí tự nhiên, các nhà máy điện đốt rác (ví dụ, sử dụng khí bãi chôn lấp), các trang trại gió và trang trại điện mặt trời đều là những nguồn đóng góp đáng kể. Điện mặt trời mái nhà hiện là nguồn phát điện đơn lẻ lớn nhất vào giữa ngày. Hơn 30% các hộ gia đình ở SWIS có hệ thống quang điện trên mái nhà. Trong thời gian còn lại, khu vực này chủ yếu dựa vào than và khí, mặc dù điện gió đang dần tăng thêm thị phần của mình trong tổng số. Do đó, SWIS hiện đã có đường cong con vịt tương tự như hiện tượng đầu tiên được ghi nhận trên lưới điện bang California (Mỹ).

Hệ thống tích hợp vùng Tây Nam của bang Western Australia có mạng lưới hơn 7.800km đường dây truyền tải. Các máy bù đồng bộ là cần thiết để tăng cường sức mạnh của hệ thống khi đối mặt với việc ngừng hoạt động của các nhà máy nhiệt điện than cũng như để tăng hiệu quả của mạng lưới truyền tải (Ảnh st)

Khử cacbon ở bang Western Australia

Chính quyền bang Western Australia đã thành lập Bộ phận PoweringWA để điều phối việc cung cấp cơ sở hạ tầng điện mới cần thiết nhằm khử cacbon và tăng cường lưới điện SWIS. Ngoài việc áp dụng năng lượng tái tạo, kế hoạch này còn bao gồm cơ sở hạ tầng truyền tải đáng tin cậy hơn có thể đưa điện gió và điện mặt trời đến các trung tâm phụ tải. Ví dụ, Trang trại điện mặt trời Merredin đang xây dựng cách Perth khoảng 260km về phía đông. Trang trại này bao gồm 360.000 tấm pin mặt trời và sẽ phát ra 281GWh điện hàng năm. 

Ngoài ra, PoweringWA đang bổ sung thêm nhiều hệ thống tích trữ năng lượng bằng pin (BESS). Synergy hiện đã triển khai 100MW/200MWh tích trữ năng lượng bằng pin tại khu vực Perth, được gọi là Kwinana Big Battery, đủ để cấp điện cho 160.000 hộ gia đình trong hai giờ. Đây là một phần trong mục tiêu của Synergy nhằm cắt giảm 80% lượng phát thải cacbon vào năm 2030 so với mức năm 2020, và đạt mức phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050. 

Dự báo mới nhất kêu gọi 4.000km đường dây truyền tải mới và khoảng 50GW điện tái tạo mới và cơ sở hạ tầng tích trữ để hỗ trợ nhu cầu tăng cao trong 20 năm tới. Tuy nhiên, các hệ thống tích trữ năng lượng gió, mặt trời và tích trữ năng lượng bằng pin sẽ không đủ để đáp ứng nhu cầu dự kiến ​​nếu than bị loại bỏ đồng thời. Do đó, đầu tư vào cơ sở hạ tầng khí tự nhiên vẫn tiếp tục. Quy hoạch hiện tại lường trước rằng hệ thống điện sẽ cần bổ sung thêm nguồn phát điện bằng khí để đảm bảo củng cố hệ thống năng lượng. Theo đó, các nhà máy điện chạy bằng khí hiện tại sẽ hưởng lợi từ việc miễn trừ ngưỡng phát thải mới trong 10 năm. Chính quyền liên bang và chính quyền các bang Australia đã chuyển đổi chính sách trong những năm gần đây để giúp các nhà máy điện chạy bằng khí hoạt động đỡ vất vả hơn. Điều này bắt nguồn từ việc nhận thức rằng các nhà máy này cần phải có để duy trì độ tin cậy. Do đó, chính phủ đang tiến hành các nỗ lực để khuyến khích các chủ sở hữu nhà máy điện khí không sớm rời khỏi thị trường vì lý do thương mại hoặc do áp lực quản lý. 

Các thách thức của phụ tải thấp 

Với khu vực trung tâm đô thị Perth đang bị chi phối bởi năng lượng mặt trời mái nhà, thời gian phụ tải thấp đã trở thành một vấn đề thực sự. Nhu cầu về điện lưới giảm mạnh khi mặt trời lên cao hơn. Với rất nhiều đỉnh và đáy trong nhu cầu lưới điện, việc duy trì nguồn cung cấp điện ổn định và đáng tin cậy và tránh mất điện là một mối quan ngại. 

Giống như ở các vùng đường cong con vịt khác ở bang California (Mỹ), thời gian sử dụng cao điểm xảy ra vào sáng sớm và chiều muộn/tối khi năng lượng mặt trời không có đủ. Hệ thống điện bang WA cần các máy phát điện chạy bằng than và khí hiện có sẵn vào những thời điểm này để cung cấp dòng điện ổn định và đáng tin cậy. 

Synergy và các công ty điện lực khác đang vận động mọi người chuyển dịch càng nhiều năng lượng tiêu thụ vào giữa ngày càng tốt để sử dụng hết năng lượng mặt trời có sẵn và giảm nhu cầu trong các giai đoạn cao điểm. Synergy cũng đang vận hành các nhà máy điện ảo (VPP) có thể điều chỉnh và phản ứng tốt hơn với nhu cầu của hệ thống điện. Là một phần của quá trình này, năng lượng mặt trời trên mái nhà và các nguồn năng lượng phân tán khác (DER) đang tích hợp vào hệ thống điện theo nhiều cách khác nhau. 

Quản lý năng lượng mặt trời khẩn cấp (ESM) là một ví dụ. ESM tìm cách tăng cường sự ổn định khi có một lượng lớn điện mặt trời phát ra từ các hệ thống năng lượng mặt trời trên mái nhà và không có đủ nhu cầu lưới điện. Vào những thời điểm như vậy, cần phải quản lý từ xa năng lượng mặt trời hộ gia đình để ngăn ngừa các vụ mất điện tiềm ẩn. Trong vài tiếng đồng hồ, năng lượng mặt trời của một khách hàng Synergy có thể tắt từ xa, và sau đó bật lại khi tình trạng khẩn cấp kết thúc. 

Những biện pháp này chắc chắn có ích. Nhưng chúng không đủ để giữ cho lưới điện ổn định. Điều đã được nhận ra là vai trò quan trọng của các tài sản quay như tuabin hơi và tuabin khí trong việc bổ sung quán tính, độ ổn định và hỗ trợ lưới điện.

Nhà máy điện Pinjar 

Lập trường chính sách tại bang WA là tiếp tục bổ sung các nguồn lực tái tạo với nhịp độ cao, đẩy nhanh việc cải thiện mạng lưới truyền tải và loại bỏ than trong khi khuyến khích đầu tư vào việc cải thiện các cơ sở khí đốt tự nhiên hiện có như là cách tốt nhất để quản lý quá trình chuyển dịch năng lượng. 

Nhà máy điện Pinjar gần Perth là một ví dụ. Nhà máy điện này cung cấp công suất đỉnh khi cần cũng như ổn định lưới điện. Nằm cách Perth khoảng 50km về phía bắc, nhà máy bao gồm chín tuabin khí GE Vernova – sáu tuabin Cỡ máy 6 và ba tuabin Cỡ máy 9. Chúng chủ yếu sử dụng trong những ngày hè nóng nực, trong trường hợp khẩn cấp, và đôi khi để ứng phó với mô hình đường cong con vịt vào buổi sáng/cuối buổi chiều. Nhà máy có công suất 576MW do Synergy vận hành. Các tuabin có thể vận hành trực tuyến và có thể kết nối với lưới điện trong vòng 15 phút khi có yêu cầu. 

Ngoài công suất đỉnh, một số tổ máy trang bị bộ ly hợp tự động chuyển số đồng bộ từ SSS Gears Ltd của Sunbury, Vương quốc Anh, để cung cấp sự ổn định cho hệ thống và hỗ trợ lưới điện. Các bộ ly hợp này có thiết kế sao cho khi tuabin quay nhanh hơn máy phát điện, bộ ly hợp sẽ tự động vào khớp và tuabin làm quay máy phát điện. Một khi máy phát điện hòa đồng bộ với lưới điện, tuabin sẽ quay chậm lại và bộ ly hợp sẽ tự động nhả ra khỏi máy phát điện, biến nó thành một máy bù đồng bộ. Các bộ ly hợp SSS này tích hợp vào các bánh răng tải do Flender-Graffenstaden tại thành phố Strasbourg (Pháp) chế tạo. Bản nâng cấp máy bù đồng bộ này mang lại một số lợi ích cho lưới điện.

Một số máy phát điện tại Nhà máy điện Pinjar đã lắp thêm các bộ ly hợp SSS tích hợp vào các bánh răng tải Flender-Graffenstaden để cung cấp công suất phản kháng và hỗ trợ hệ thống (Ảnh st)

Công suất phản kháng do máy bù đồng bộ cung cấp mang lại sự ổn định điện áp. Trong khi công suất tác dụng thực hiện công việc hữu ích từ điện áp và dòng điện, thì công suất phản kháng (đo bằng volt-ampere phản kháng hay VAR) cung cấp sự hỗ trợ điện áp rất cần thiết. Ngoài việc ngăn chặn khả năng xảy ra sự cố sập điện áp thảm khốc, công suất phản kháng còn làm tăng hiệu suất truyền tải và tăng lượng công suất tác dụng có thể truyền tải qua đường dây. 

Do liên quan đến các khoảng cách lớn ở bang WA, cần rất nhiều hỗ trợ từ công suất phản kháng. Với việc các nhà máy điện than sắp ngừng hoạt động, nhu cầu về sự ổn định của hệ thống sẽ chỉ tăng lên. Synergy sở hữu hai nhà máy nhiệt điện than, cả hai nhà máy này đều đã lên lịch đóng cửa. Nhà máy Muja 854MW và Nhà máy Collie 340MW đều nằm trong khu vực SWIS cách Perth khoảng 200km về phía nam. Collie sẽ đóng cửa vào năm 2027 trong khi Muja sẽ đóng cửa vào năm 2029. 

Với quá nhiều quán tính hệ thống bị ngắt kết nối trong khu vực, công việc của các máy phát điện tại Pinjar trở nên quan trọng hơn. Do đó, Synergy đã đặt hàng một bánh răng phụ tải dự phòng quan trọng và bộ ly hợp SSS để đảm bảo rằng các sự cố, hỏng hóc, hoặc bảo trì thường xuyên ngoài dự kiến sẽ không làm giảm khả năng hệ thống cung cấp công suất tác dụng và công suất phản kháng. 

Ông Gross thuộc Flender-Graffenstaden cho biết: “Đã có yêu cầu ngày càng tăng từ phía nhà điều hành lưới điện để xác nhận tính khả dụng của chức năng máy bù đồng bộ và do đó yêu cầu mua phụ tùng thay thế quan trọng.

Việc bổ sung các bộ ly hợp giúp cải thiện giá trị của các tuabin khí. Thay vì để chúng chạy không tải trong phần lớn thời gian, bộ ly hợp này cho phép chúng cung cấp các dịch vụ phụ trợ cho lưới điện. Tùy thuộc vào khu vực, nhà điều hành lưới điện khuyến khích các dịch vụ này. Ông Gross báo cáo rằng Flender-Graffenstaden gần đây đã nhận được đơn đặt hàng chế tạo 16 hộp số tương tự, mỗi hộp đều lắp bộ ly hợp SSS. 

Theo Nicholas Bellamy, Giám đốc Ứng dụng tại SSS Gears, cả sáu máy phát điện tuabin khí tại Pinjar đều bao gồm các bộ ly hợp SSS trong các hộp bánh răng phụ tải chính của chúng. Ban đầu, các khớp ly hợp chỉ được lắp đặt nhằm tạo nguồn thu từ chế độ máy bù đồng bộ bằng cách cung cấp công suất phản kháng khi các tuabin khí ngừng hoạt động.

Ông Bellamy cho biết: “Các lưới điện địa phương giờ đây đã nhận ra tầm quan trọng của quán tính điện thường đang giảm dần khi ngày càng nhiều máy phát điện quay được thay thế bằng PV mặt trời và các công nghệ tái tạo khác”. “Tính linh hoạt bổ sung miễn phí của khớp ly hợp SSS này xác nhận rằng tài sản này đủ điều kiện về mọi khoản chi trả về quán tính điện mà các lưới điện địa phương có thể ủy quyền theo đúng trình tự mà không yêu cầu phải vận hành tuabin khí.” 

Biên dịch: Chu Thanh Hải

Theo “MPS”, số tháng 6/2025