Trong khoảng hơn một thập kỷ qua, xu hướng chủ đạo là sự ngừng hoạt động của các nhà máy than và sự phát triển ổn định của các nguồn phát điện tái tạo. Làn sóng tiếp theo dường như là việc loại bỏ càng nhiều cơ sở sử dụng khí đốt tự nhiên càng khả thi khi càng nhiều nguồn năng lượng gió và mặt trời được triển khai.

Nhưng đã có một hậu quả khôn lường trong cơn sốt kéo dài này nhằm di dời các tài sản phát điện xoay vòng - sự mất ổn định của lưới điện. Các tuabin hơi và tuabin khí của các nhà máy điện than, chu trình hỗn hợp và các cơ sở tạo đỉnh khí tự nhiên đóng vai trò quan trọng về quán tính, độ ổn định của lưới điện và cung cấp công suất phản kháng dưới dạng VAR (Phản ứng điện áp khuếch đại).

Ví dụ như ở Anh, chính phủ đã cam kết loại bỏ dần tất cả việc phát điện bằng nhiệt điện than vào năm 2025. Trong thập kỷ qua, quốc gia này đã lắp đặt khoảng 20 GW năng lượng tái tạo. Do đó, chỉ hơn một phần ba (37,1%) điện của Vương quốc Anh đến từ các nguồn tái tạo với kế hoạch lắp đặt thêm 40 GW gió ngoài khơi trong thập kỷ tới. Khi có nhiều gió và mặt trời tràn vào lưới điện, các vấn đề về tính bất ổn định và quán tính sẽ gia tăng.

Mark Tiernan, Giám đốc Trạm điện cao thế Vương quốc Anh tại Siemens Energy cho biết: “Nguồn điện tái tạo được kết nối với lưới điện tử thay vì trực tiếp như một nhà máy điện tập trung lớn. Kết quả của việc chuyển dịch khỏi than đá, có ít tua bin quay lớn trên lưới điện, và điều này đã dẫn đến việc giảm lượng quán tính trong hệ thống. Việc mất đồng bộ các máy phát tuabin khí và tuabin hơi dẫn đến hệ thống mất ổn định ở dạng quán tính thấp hơn hệ thống ”.

Thiết bị điện

Nhiều cách tiếp cận đang hình thành nhằm mục đích cung cấp các dịch vụ như vậy để duy trì và đẩy nhanh tốc độ áp dụng tái tạo. Các giải pháp điện truyền thống cho vấn đề này bao gồm tụ điện, bộ bù VAR tĩnh và bộ bù tĩnh. Các khối tụ điện thường được lắp đặt tại các trạm biến áp điện. Chúng bao gồm các tụ điện shunt. Chúng tương đối rẻ, đáng tin cậy và dễ cài đặt. Nhưng nhược điểm là diện tích lớn của chúng, và thực tế là chúng chỉ có thể cung cấp công suất phản kháng, chúng không thể hấp thụ được. Khi tải tăng nhanh và điện áp giảm xuống, hiệu quả của tụ điện giảm dần.

Bộ bù VAR tĩnh (SVC) về cơ bản là công tắc điện. Chúng bao gồm các tụ điện và cuộn kháng shunt và cung cấp mức độ kiểm soát điện áp lớn hơn so với các tụ điện đơn giản. Chúng có thể hấp thụ và cung cấp công suất phản kháng, nhưng phải vật lộn khi đối mặt với sự mất ổn định hoặc sụp đổ điện áp.

Máy bù đồng bộ tĩnh (StatComs) sử dụng thiết bị điện tử công suất phức tạp hơn là tụ điện và cuộn kháng. Chúng cung cấp thời gian phản hồi nhanh hơn nhiều (micro giây) và chiếm ít dung lượng hơn. Nhưng đắt so với các thiết bị cơ bản hơn. Ví dụ bao gồm hệ thống Dynamic VAR (D-VAR) của Công ty Siêu dẫn Mỹ, Purewave DStatCom của Công ty Điện lực S&C và SVC Plus của Siemens Energy. 

SVC Plus kết hợp giữa StatCom và công nghệ chuyển đổi đa cấp. Ruột của hệ thống bao gồm một tập hợp các thành phần điện như bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện (IGBT), cuộn kháng, tụ điện và máy biến áp điện xoay chiều. Nó có thể nhanh chóng đưa vào nguồn điện cảm ứng hoặc điện dung để ổn định hệ thống truyền tải và giảm nguy cơ sập nguồn và mất điện. Đơn vị Năng lượng Siemens này có kích thước bằng một nửa SVC thông thường. 

Nhà điều hành hệ thống truyền tải của Đức, Amprion đã ủy quyền cho Siemens Energy cung cấp hai hệ thống SVC Plus để ổn định lưới điện của Đức. Các cây dành cho Polsum, North Rhine-Westphalia và Rheinau, Baden-Württemberg. Chúng cung cấp dải công suất phản kháng +/- 600 MVAR và giữ cho điện áp lưới trong phạm vi ổn định. Nhìn chung, các nhà điều hành truyền tải tính toán rằng lưới điện của Đức cần tới 28 GVAR để cung cấp đủ độ ổn định và quán tính.

Ý cũng đang áp dụng công nghệ này. Terna. SpA đã đặt hàng hai hệ thống SVC Plus. Họ sẽ đóng góp vào kết nối giữa Ý và Montenegro và lục địa Ý và Sardinia. Terna có hai hệ thống tương tự đang được lắp đặt ở vùng Marche của Ý. Chúng sẽ trực tuyến dần dần từ cuối năm 2021 đến giữa năm 2022.

Dàn ngưng đồng bộ  

Thiết bị ngưng tụ đồng bộ là một cách khác để giải quyết các vấn đề không ổn định của lưới điện. Một lần nữa, có rất nhiều hệ thống được cung cấp. Siemens Energy và GE cung cấp các hệ thống điện cạnh tranh.

Bộ phận Năng lượng của Siemens bao gồm một bình ngưng đồng bộ để cung cấp quán tính để tăng cường lưới điện, công suất ngắn mạch để vận hành đáng tin cậy và công suất phản kháng để điều khiển điện áp. Về bản chất, dàn ngưng đồng bộ là một bộ phận lớn của máy móc kéo sợi được tạo thành từ một máy phát điện và một bánh đà. Khi được kết nối với lưới điện, nó cung cấp quán tính bằng cách quay liên tục đồng bộ với tần số lưới. Do đó, nó góp phần vào sự ổn định của hệ thống, làm giảm bất kỳ biến động nào về tần số, giống như giảm xóc ô tô giảm bớt va chạm trên đường. Bánh đà là một bánh lớn có tác dụng bổ sung thêm khối lượng để hệ thống có quán tính lớn hơn. Nó thực sự là một phương tiện thay thế bánh đà cho khối lượng quay của tuabin khí hoặc hơi.

Tiernan cho biết: “Bằng cách ghép bánh xe bay với khối lượng quay của rôto máy phát điện, nó tạo ra sự đóng góp ngắn mạch và mở rộng quán tính cần thiết. Bằng cách này, chúng sẽ giúp ổn định tần số mạng”.

Máy phát điện đồng bộ được nối với mạng truyền tải điện cao áp qua máy biến áp bậc thang. Nó được khởi động và dừng bằng động cơ điện điều khiển tần số (động cơ ngựa) hoặc bộ biến tần khởi động. Khi máy phát đạt tốc độ đồng bộ hoạt động, nó được đồng bộ với mạng truyền tải, và máy được vận hành như một động cơ cung cấp công suất phản kháng và ngắn mạch cho mạng truyền tải.

Chương trình Người tìm đường lưới điện quốc gia của Vương quốc Anh nhằm cung cấp nhiều nguồn điện ngắn mạch, đặc biệt là ở các địa điểm ở Scotland và xứ Wales. Siemens Energy đã được trao ba dự án trong khuôn khổ chương trình này. Công việc đã bắt đầu tại một địa điểm ở Rassau, Ebbw Vale ở Wales cho Welsh Power. Công nghệ ổn định lưới quay này đang được lắp đặt tại hiện trường để quản lý ổn định lưới điện. Nó sẽ hoạt động trước cuối năm nay.

Chris Wickins, Giám đốc Dịch vụ lưới điện tại Welsh Power cho biết: “Trong vòng 15 phút kể từ khi có hướng dẫn, cơ sở của chúng tôi có thể cung cấp khoảng 1% quán tính cần thiết để vận hành lưới điện một cách an toàn mà không phát thải khí thải”.

Một hệ thống tương tự đang được cung cấp cho Ban Cung cấp Điện (ESB) ở Ireland cho trạm điện Moneypoint đặt tại County Clare. ESB đang biến địa điểm này thành một trung tâm năng lượng xanh, nơi một loạt các công nghệ tái tạo sẽ được triển khai trong thập kỷ tới.

Paul Smith, Trưởng bộ phận Phát triển Tài sản của ESB Generation and Trading, cho biết: “Do tính gián đoạn của năng lượng gió, công nghệ ổn định lưới điện ngày càng có vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi năng lượng thành công”.

GE Steam Power, trong khi đó, đang chào hàng hệ thống bánh đà và bình ngưng đồng bộ của riêng mình. Nó đã bán hai đơn vị như vậy cho Terna để làm trạm biến áp Brindisi ở Ý. Mỗi cái sẽ cung cấp công suất phản kháng lên đến + 250 / -125 MVAr và quán tính 1750 MW. Chúng đang được lắp đặt dọc theo hệ thống truyền tải để giữ cho dòng điện chạy ổn định. GE có thêm bốn tổ máy ngưng tụ đồng bộ 250 MVAr đang được thực hiện với Terna trong các nhà máy Selargius và Maida ở Sardinia và Calabria. Ngoài ra, GE đã cung cấp hai thiết bị ngưng tụ đồng bộ 160 MVAr cho các Trạm biến áp Favara và Partinico Terna ở Sicily, hoạt động từ cuối năm 2015. Điều đó bổ sung thêm công suất phản kháng lên tới 1.820 MVAr cho lưới điện của Ý.

Chris Evans, Trưởng bộ phận Quản lý Sản phẩm của GE Steam Power cho biết: “Các thiết bị bao gồm thiết bị quay điện mới hoặc máy phát điện hiện có được cấu hình lại để hoạt động như bộ ổn định lưới điện đáng tin cậy, có nghĩa là ổn định điện áp của lưới điện. Bánh đà là một tính năng bổ sung cho quán tính bổ sung có thể được cung cấp tại thời điểm xây dựng nhà máy mới hoặc được bổ sung sau này trong vòng đời của nhà máy, thay vào đó, nó phục vụ cho việc ổn định tần số của lưới điện”.

Máy phát điện hiện có cho ngưng tụ đồng bộ

Các hệ thống khác nhau được giới thiệu cho đến nay đều hoạt động tốt. Nhưng có một cách tiếp cận ít tốn vốn hơn bằng cách chuyển đổi các tuabin hơi và khí cũ thành các bình ngưng đồng bộ. Có rất nhiều nhà máy điện đang tồn tại có sẵn các tuabin cũ kỹ. Một số đã ngừng hoạt động và nhiều nhà máy đang chạy với công suất thấp hơn nhiều so với những năm trước do các nguồn tài nguyên tái tạo chiếm tỷ trọng lớn hơn trong việc cung cấp điện. Chắc chắn, ngày càng nhiều đơn vị trong số này sẽ ngừng hoạt động hoặc loại bỏ dần dần.

Việc chuyển đổi các máy phát điện hiện có để cung cấp sự ngưng tụ đồng bộ được chia thành hai loại. Một là để máy được sử dụng cho công suất cực đại và ngưng tụ đồng bộ bằng cách kết hợp bộ ly hợp tự dịch chuyển đồng bộ (SSS) vào một tổ máy phát tuabin hiện có. Ngoài ra, một tổ máy phát tuabin hiện có như máy phát tuabin hơi nước ngừng hoạt động của nhà máy than có thể nhanh chóng được chuyển đổi thành bình ngưng đồng bộ bằng cách tháo tuabin và thêm bộ truyền động tăng tốc bằng ly hợp SSS (xem hình ảnh dẫn đầu) . 

Tuabin, hoặc bộ truyền động tăng tốc trong trường hợp ứng dụng chỉ dành cho máy phát điện, đưa máy phát điện lên đến tốc độ. Khi máy phát đồng bộ với lưới điện, tuabin hoặc bộ truyền động tăng tốc sẽ ngắt kết nối với máy phát và tắt. Sau đó, máy phát điện sử dụng nguồn điện lưới để tiếp tục quay, liên tục cung cấp các VAR dẫn đầu hoặc trễ khi cần thiết.

Cũng như tuabin hơi và tuabin khí, các chuyển đổi như vậy có thể được thực hiện đối với động cơ pittông. Ly hợp hoạt động bằng cách ngắt hoàn toàn động cơ chính khỏi máy phát khi chỉ cần công suất phản kháng. Khi cần hoạt động hoặc công suất thực, ly hợp SSS sẽ tự động tham gia để tạo ra năng lượng điện. Điều này cho phép thiết bị hấp thụ hoặc cung cấp công suất phản kháng cho lưới điện cho mục đích điều khiển điện áp bằng cách chạy máy phát điện như một động cơ đồng bộ không nối với tuabin khí. Các nhà máy điện khí đốt mới đang được xây dựng cũng có thể được cấu hình để hoạt động theo cách này.

Dave Haldeman, SSS Clutch, cho biết: “Có những khoản tiết kiệm đáng kể khi một máy phát điện hiện tại đã ở đúng vị trí, được kết nối với hệ thống truyền động và đã hoạt động theo thứ tự với các bộ điều khiển. Ngoài ra, cách tiếp cận này cung cấp cho hệ thống nguồn điện dự phòng hoặc nguồn điện đỉnh, bổ sung cho nguồn năng lượng tái tạo khi được yêu cầu”.

Nhà máy điện Chesapeake của Khối thịnh vượng chung ở vùng nông thôn Virginia bao gồm 7 tuabin khí GE LM6000, được lắp đặt cách đây khoảng 20 năm. Chúng cung cấp điện không thường xuyên, tùy thuộc vào nhu cầu của người vận hành lưới điện. Kết quả là, bốn trong số chúng được trang bị ly hợp.

Các máy phát điện này được trang bị bộ ly hợp có thể ngắt kết nối với tuabin của chúng để cho phép chúng hoạt động như bình ngưng đồng bộ. Trong trường hợp này, đơn vị vận hành lưới điện trả tiền cho nhà máy để máy phát được đồng bộ và quay nhưng không được kết nối với tuabin điện. Điều đó cung cấp hỗ trợ lưới. Khi cần có điện, nó có thể hòa vào lưới điện trong vòng 10 phút để đáp ứng các trường hợp mất điện phát hoặc truyền tải ở những nơi khác trong mạng lưới. Phần mềm điều khiển được sử dụng để đưa tuabin nhanh chóng lên đến tốc độ gần đồng bộ để đóng hoặc ngắt tuabin. Khi không hoạt động, máy phát điện vẫn tiếp tục quay.

Haldeman nhận thấy một nơi cho cả thiết bị ngưng tụ đồng bộ hoàn toàn bằng điện, cũng như những thiết bị sử dụng động cơ và tuabin cũ. Khi nhiều năng lượng tái tạo được bổ sung, nhu cầu về quán tính và độ ổn định của lưới điện sẽ chỉ tăng nhanh.

Từ góc độ kinh tế thuần túy, tiền có thể được tiết kiệm bằng cách sử dụng máy móc đã có sẵn. Một trang bị bổ sung rẻ tiền có thể thêm một chiếc clutch trong vài tuần. Đường truyền, thiết bị chuyển mạch, thiết bị điện khác, cũng như giấy phép đã được thực hiện. Số tiền tiết kiệm được sau đó có thể được sử dụng để nâng cấp các khu vực khác của lưới điện hoặc được đầu tư vào nhiều dự án năng lượng gió và mặt trời hơn. Hơn nữa, các máy phát điện hiện tại có xu hướng được lắp đặt gần các trung tâm phụ tải. Trong hầu hết các trường hợp, đã có sẵn một vị trí mà chúng có thể hỗ trợ nhu cầu công suất phản kháng và cung cấp hỗ trợ điện áp kết quả. 

Vì tuabin không chạy ở chế độ ngưng tụ đồng bộ, nên không có đốt cháy nhiên liệu và do đó không có khí thải. Có một xu hướng chung là sơn tất cả các nguồn phát thải bằng cùng một loại cọ. Nhưng có một sự khác biệt lớn giữa một nhà máy than già cỗi và một tuabin đốt bằng khí đốt tự nhiên về lượng khí thải.  

Haldeman nói: “Tua bin khí ở đỉnh có vai trò quan trọng trong việc duy trì ổn định lưới điện bằng cách cung cấp quán tính và hỗ trợ công suất phản kháng. Các thiết bị tạo đỉnh khí tự nhiên này có thể cung cấp năng lượng dự phòng quan trọng khi năng lượng tái tạo ở mức giảm, chẳng hạn như đóng băng sâu hoặc một số sự kiện thời tiết khắc nghiệt khác. Nếu không, họ cung cấp hỗ trợ điện áp và ngưng tụ đồng bộ sẽ có nhu cầu cao khi tỷ lệ phần trăm tài sản tái tạo trực tuyến lớn hơn”.