|
Hình 1. Hệ thống tích trữ năng lượng bố trí trong công trình trạm biến áp dạng môđun gần Hemsby.
|
Tích trữ năng lượng ngày một trở nên quan trọng hơn khi lưới điện phát triển thành hệ thống thông minh hơn, tiếp nhận điện năng sản xuất từ các nguồn tái tạo không liên tục, như gió, mặt trời, và cấp điện các phụ tải mới nổi lên, như ôtô chạy điện và bơm nhiệt. Chắc chắn trong tương lai không xa, số lượng công trình tích trữ năng lượng trên khắp thế giới sẽ tăng lên đáng kể. Các công nghệ tích trữ năng lượng đã được xác lập cho đến nay gồm thủy điện tích năng, acqui chì và acqui kiềm. Các công nghệ thế hệ mới về tích trữ năng lượng cho lưới điện hiện đang được thử nghiệm tại một số dự án thí điểm với các công trình lắp đặt tích trữ năng lượng bằng acqui Lithium-ion, acqui tuần hoàn chất điện phân và bánh đà.
Thực hiện chỉ thị của Liên minh Châu Âu (EU) năm 2009, chính phủ Anh đã thỏa thuận mục tiêu tổng thể đến năm 2020 sản xuất 15% điện năng từ các nguồn năng lượng tái tạo. Công ty UK Power Networks là đơn vị sở hữu 3 lưới điện phân phối phục vụ một phần tư dân số nước Anh đã đầu tư 1,8 triệu bảng Anh (2,9 triệu USD) cho mặt bằng và phát triển công nghệ tích trữ năng lượng với sự hợp tác của công ty dịch vụ kỹ thuật toàn cầu ABB.
Tại Hemsby, gần Great Yarmouth, công ty UK Power Networks đã đưa vào hoạt động công trình thí điểm. Tại đó các acqui Lithium-ion tích trữ điện năng từ các tuabin gió trong khu vực khi sản xuất điện vượt quá nhu cầu trên lưới điện phân phối. Mục tiêu khả thi của dự án thí điểm này là điều hòa điện năng từ các tuabin gió mà bản chất tự nhiên là luôn thay đổi. Ngoài ra, thiết bị tích trữ năng lượng này còn có thể đảm nhiệm thêm một số nhiệm vụ khác nhờ năng lực điều chỉnh điện áp và quản lý dòng công suất, sẵn sàng hoạt động vì lợi ích của đơn vị vận hành lưới điện và người sử dụng điện.
Lưới điện của dự án thí điểm
Dự án thí điểm của công ty UK Power Networks là một phần trong dự án Hệ thống quản lý lưới điện chủ động tự quản trong khu vực (Autonomous Regional Active Network Management System – AuRA-NMS) do Hội đồng nghiên cứu khoa học kỹ thuật và vật lý (Engineering and Physical Sciences Research Council – EPSRC) tài trợ. Dự án được thực hiện với sự cộng tác của ABB, công ty Scottish Power Energy Networks và 6 trường đại học. Công ty UK Power Networks muốn khảo sát liệu có thể biến thành hiện thực những lợi ích của hệ thống tích trữ năng lượng (energy storage system - ESS) như đã được tiên đoán hay không. Vì vậy, địa điểm được lựa chọn sao cho có thể đánh giá được số lượng tối đa các lợi ích từ một công trình lắp đặt duy nhất.
Số sự kiện đảo chiều công suất tại trạm biến áp nguồn trong khoảng thời gian 30 phút trong một năm thời gian mô phỏng, công suất danh định của bộ biến đổi từ 0 MW đến 0,4 MW. Các sự kiện này xảy ra do tác động của nguồn điện trại gió, được xử lý nhờ nguồn công suất điện do hệ thống ESS đưa vào.
Lưới phân phối 11 kV nông thôn ở North Norfolk được chọn, công suất nguồn điện gió kết nối với lưới điện này là 2,25 MW. Hệ thống ESS được lắp đặt tại một điểm thường mở giữa 2 trạm biến áp nguồn 33/11 kV có sẵn. Nếu lắp đặt hệ thống ESS trong trạm biến áp nguồn có sẵn sẽ làm mất đi mọi lợi ích cho các xuất tuyến 11 kV, đồng thời cũng hạn chế các lợi ích cho các máy biến áp 33/11 kV và các mạch 33 kV cấp điện cho trạm biến áp nguồn.
Trường đại học Durham đã tiến hành một loạt các nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng để đánh giá phương cách vận hành hệ thống ESS trên lưới điện phân phối sao cho hiệu quả nhất. Các mô phỏng được thiết kế nhằm cải thiện số lượng lớn các tham số tính năng xảy ra đồng thời của lưới điện trong khi vẫn bảo đảm lưới điện 11 kV không bị ảnh hưởng bởi tác động tiêu cực so với khi vận hành bình thường. Công suất của hệ thống ESS sau khi lắp đặt được xác định bởi chi phí có thể biện minh một cách hợp lý đối với một dự án chứng minh ý tưởng thiết kế (proof-of-concept project).
Công nghệ đổi mới
Công nghệ DynaPeaQ (trước đây mang tên SVC Light with Energy Storage) của ABB là công nghệ tiên tiến biến đổi năng lượng thành dạng có thể tích trữ trong acqui. Công nghệ này sử dụng bộ biến đổi dựa trên tranzito lưỡng cực có cổng cách ly (insulated gate bipolar transistor - IGBT) điều khiển bằng phương pháp điều chế nhanh độ rộng xung (fast pulse-width-modulation) dùng cho các nhiệm vụ như giảm nhấp nháy và lọc tích cực. Hệ thống cho phép bù nhanh công suất phản kháng trong lưới điện cao áp.
Công nghệ mới này cho phép khống chế động dòng công suất trong lưới điện phân phối, cải thiện điện áp lưới và độ ổn định lưới điện, san bằng biến động công suất trong trường hợp điện năng được sản xuất từ nguồn tái tạo. Công suất danh định và công suất tích trữ điển hình đạt cỡ 20 MW trong khoảng thời gian xấp xỉ từ 15 phút tới 45 phút, nhưng công nghệ này có thể mở rộng để đạt tới 50 MW trong khoảng thời gian 60 phút và lâu hơn.
Lắp đặt hệ thống
Hệ thống tích trữ năng lượng (ESS) được ABB thiết kế và xây dựng ở dạng dự án chìa khóa trao tay. Đây là sản phẩm SVC Light đã được xác lập của ABB nay được nâng cấp cải tiến. Acqui Lithium-ion do Saft chế tạo riêng cho công trình này được bố trí thành 8 chồng môđun acqui xếp trong gian trạm dạng môđun diện tích 25 m2. Toàn bộ hệ thống lắp đặt có thể tích trữ tới 200 kWh điện năng, đủ để duy trì cấp điện cho 200 hộ gia đình trong 1 giờ. Các môđun được nạp và phóng điện liên tục, và thiết kế này có mở rộng để tích trữ nhiều năng lượng hơn trong tương lai.
Công nghệ acqui Lithium-ion được lựa chọn với thời gian tuổi thọ 15 năm, 3.000 chu kỳ nạp điện/phóng điện, thừa đủ đối với tuổi thọ vận hành 5 năm của công trình này, độ sâu phóng điện tới 80% và hiệu suất chu kỳ nạp phóng cao, cỡ 90%. Yêu cầu an toàn và bảo vệ, từ cấp ngăn acqui tới cấp hệ thống, được bảo đảm nhờ thiết bị liên động, giám sát và kiểm soát.
Thiết bị đo lường lưới điện
Ở trạm biến áp nguồn này, thiết bị đo lường chỉ giới hạn ở các phép đo dòng điện và điện áp bằng kỹ thuật analog, tương tự như ở phần lớn các lưới điện phân phối 11 kV ở Anh. Vì vậy, để nhận được lợi ích tối đa từ dự án, các rơle đã được lắp đặt tại các vị trí chiến lược cho thiết bị có sẵn tại các trạm 11 kV trên lưới điện. Các rơle làm tăng khả năng quan sát trạng thái lưới điện nhờ 2 chức năng:
• Cung cấp đầu vào cho thuật toán điều khiển được sử dụng để khống chế quá trình hoạt động của hệ thống tích trữ năng lượng (ESS).
• Hiểu được những thay đổi dòng công suất và điện áp trong toàn bộ lưới điện do hoạt động của hệ thốngESS.
Các rơle này truyền kết quả đo qua mạng dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp (general packet radio service - GPRS) tới máy tính của trạm biến áp tại trạm nguồn. Các dữ liệu này được lưu trữ để phân tích sau, và các kết quả đo chính được sử dụng bởi thuật toán điều khiển trong máy tính của trạm biến áp để xác định các lệnh cố định của ESS.
Hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển MACH2 của ABB quản lý thiết bị của hệ thống tích trữ năng lượng (ESS). Việc tương tác với lưới điện rộng lớn hơn được thực hiện thông qua máy tính trạm COM600 của ABB tại trạm biến áp nguồn. Các phép đo được xử lý bởi các rơle REF615 đáp ứng tiêu chuẩn IEC 61850.
Thiết bị của hệ thống ESS có thể hoạt động theo chế độ tự động nơi hệ thống điều khiển MACH2 sử dụng các phép đo điện áp cục bộ để xác định lượng bù công suất phản kháng cần thiết nhằm ổn định điện áp cho hệ thống ESS. Để đưa ra các quyết định điều khiển, một dải rộng hơn các phép đo trên khắp lưới điện được thu thập và xử lý bởi các thuật toán của máy tính. Các quyết định này sau đó được đưa ra ở dạng các lệnh cố định của ESS dùng để đặt công suất tác dụng và công suất phản kháng. Các thuật toán đã được phát triển để đưa ra một loạt các mục tiêu trong các mô phỏng giai đoạn lập kế hoạch mà hiện được sử dụng trong giai đoạn vận hành của công trình này.
Triển khai tích trữ năng lượng
Triển khai lần đầu một hệ thống tích trữ năng lượng (ESS) trên lưới điện phân phối nước Anh gặp thách thức lớn trong bước xét duyệt áp dụng công nghệ mới này cho lưới điện vận hành. Thách thức đầu tiên là việc sử dụng các thiết bị điện tử bởi vì các hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt (flexible AC transmission system - FACTS) còn mới lạ đối với lưới phân phối ở Anh. Nhân viên vận hành ở Anh quen thuộc hơn và có kinh nghiệm hơn về các thiết bị thụ động như máy biến áp, dây cáp, v.v., với các đặc tính về tính năng có thể tiên đoán được.
Ngược lại, bộ biến đổi nguồn điện áp sử dụng các van IGBT để điều khiển dòng công suất đi tới và đi từ hệ thống ESS, và có thể duy trì điện áp tại điểm nối chung (point-of-common-coupling voltage) ở một mức cụ thể trong suốt dải các điều kiện nhập và xuất công suất hữu công. Vì vậy, các phương pháp mô hình hóa mới đã được phát triển để tiên đoán đặc tính của ESS bằng cách sử dụng thời gian như một biến số quan trọng.
Acqui Lithium-ion của hệ thống ESS
(8 chồng môđun acqui) do Saft sản xuất
Đối với nhân viên vận hành, điều cốt yếu là phải hiểu được cách thức hệ thống điều khiển hoạt động để bảo đảm sau khi lắp đặt hệ thống ESS, hộ tiêu thụ tiếp tục được cung cấp điện an toàn và tin cậy. Khi xảy ra sự cố trên lưới phân phối đòi hỏi ESS phải tác động cắt, hệ thống điều khiển nhanh chóng cắt thiết bị khỏi lưới điện. Hệ thống này theo dõi lưới điện và chặn các van IGBT chỉ sau vài mili giây (một phần nghìn của giây), ngăn không để ESS cấp điện ở chế độ khép kín. Một máy tính dự phòng sẵn sàng tiếp nhận việc điều khiển nếu chẳng may máy tính điều khiển hệ thống bị lỗi. Trường hợp máy tính thứ hai này bị sự cố, bảo vệ dự phòng cắt sẽ ESS ra khỏi lưới điện.
Tình hình công trình
Hệ thống ESS được đưa vào hoạt động tháng 3/2011. Giai đoạn theo dõi và đánh giá dự án đang được Trường đại học Durham thực hiện. Trường này trước đây chịu trách nhiệm nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng. Nguồn vốn cho công tác này được cấp từ Quĩ mạng lưới cacbon thấp của Cơ quan điều tiết thị trường điện và khí đốt (Ofgem) nước Anh.
Triển khai tích trữ năng lượng trên lưới điện phân phối là một đề xuất mới và có thể khó khăn đối với các đơn vị vận hành lưới điện phân phối. Đây là lần đầu tiên một thiết bị tích trữ điện năng sử dụng acqui Lithium-ion được lắp đặt trên lưới điện phân phối 11 kV ở Anh. Tính năng của thiết bị đang được các chuyên gia Trường đại học Durham theo dõi, nếu dự án thành công, thiết bị có thể được nhân rộng áp dụng và tăng qui mô cho các ứng dụng tương lai ở nước Anh.