Kể từ những năm 1980, năng lượng tái tạo bắt đầu trở thành đề tài tranh luận trong việc bổ sung và thay thế một phần nguồn điện cơ bản của Mỹ. Một số công trình ban đầu về nguồn điện gió và điện mặt trời chưa đạt mức yêu cầu trở thành một phần của lưới truyền tải về khả năng tự trang trải. Một vấn đề khác là tác động của năng lượng tái tạo tới độ tin cậy và chất lượng điện của lưới truyền tải.
Trại gió và lưới điện
Năng lượng gió đã nổi lên như một thành phần chính trong lĩnh vực nguồn điện tái tạo, phát triển và cung cấp một công suất điện đủ lớn để có thể tung lên lưới truyền tải, với khả năng tự trang trải. Vào những năm 1980, mỗi tháp điện gió cung cấp khoảng 50 kW đến 100 kW. Sang thập kỷ 90, con số này tăng lên thành 300 kW đến 500 kW. Hiện nay tuabin gió bố trí trên mỗi tháp có thể cung cấp từ 1,5 MW đến 3,5 MW.
Một trong những vấn đề gắn liền với nguồn điện năng mới nổi lên này là năng lượng gió không cung cấp được công suất điện chắc chắn cho lưới truyền tải. Ở đây, “chắc chắn” có nghĩa là có thể cung cấp điện không gián đoạn cho lưới truyền tải. Nhiệt điện than, khí tự nhiên và hạt nhân đều là các nguồn điện chắc chắn, cung cấp điện với giá rẻ, trong khi đó năng lượng tái tạo như gió và mặt trời để có thể cạnh tranh về chi phí đều phải dựa vào tín dụng năng lượng tái tạo. Các hãng sản suất máy phát điện gió đang cố gắng mở rộng dải vận hành của tuabin gió để máy có thể hoạt động trong dải điều kiện gió rộng hơn.
Nhiều nỗ lực đang được triển khai để nâng cao độ ổn định của năng lượng gió là tìm cách biến năng lượng từ tuabin gió thành dạng năng lượng khác có thể dự trữ và sử dụng những khi cần thiết. Một hướng khác là xây dựng số lượng đủ lớn trạm năng lượng gió tại các khu vực khác nhau, kể cả ngoài đại dương để có được đủ nguồn đáp ứng nhu cầu của lưới truyền tải, cho dù một số công trình không hoạt động do đang trong thời gian bảo trì hoặc do điều kiện gió không nằm trong dải thích hợp để vận hành tuabin.
 |
|
Ảnh minh họa |
Mặc dầu công nghệ gió đang tiến triển nhưng vẫn còn một vấn đề đối với nguồn năng lượng này, đó là ảnh hưởng của nó đối với chất lượng điện của lưới truyền tải và các công trình đấu nối với lưới điện. Trong phần lớn các trường hợp, các vùng khai thác năng lượng gió hiện nay đều rất rộng và được kết nối với các hệ thống truyền tải cao áp thông qua trạm biến áp biến đổi điện năng từ điện áp lưới lên điện áp cao hoặc siêu cao của lưới truyền tải.
Điều này cho phép các sơ đồ bảo vệ rơle trạm, thiết bị tự động hoá và thiết bị trạm điều khiển và bảo vệ khỏi các thăng giáng tần số và điện áp, và cung cấp đầu ra ổn định và đồng bộ với lưới truyền tải. Tuy nhiên, một số nhà đầu tư xây dựng lại có xu hướng chia ra thành nhiều trại gió công suất nhỏ để có thể đấu nối với hệ thống phân phối của phần lớn các công ty điện lực.
Thí dụ minh họa về công trình năng lượng gió
Một số bang của Mỹ cho phép đấu nối trực tiếp vào lưới điện phân phối các trại gió công suất thấp hơn một mức qui định nào đó. Cụ thể như Điều 25.211 của Uỷ ban Điều tiết công cộng bang Texas Đấu nối nguồn điện phân bố tại hiện trường cho phép các trại gió công suất từ 10 MW trở xuống được đấu nối vào các hệ thống điện có điện áp dưới 60 kV. Đấu nối nguồn điện gió ở cấp điện áp này có thể gây ra những vấn đề về chất lượng điện để trở thành những vấn đề rắc rối đáng kể cho công ty điện lực và khách hàng. Một số vấn đề về chất lượng điện thường xảy ra là nháy, dao động công suất phản kháng và sai lệch điện áp.
Xin nêu một ví dụ về tình hình này: Hai trại gió công suất 10 MW giống hệt nhau được đấu nối vào cùng một lộ 34,5 kV ở hai điểm cách nhau 1,6 km và cách trạm biến áp 18,31 km. Đây là trạm trung gian gồm thanh cái 115 kV cấp nguồn từ hai đường dây, hai máy biến áp 115 kV/69 kV đấu song song và một máy biến áp 115 kV/34,5 kV. Hai trại gió 10 MW được đấu nối với máy 115 kV/34,5 kV này.
Bộ điều chỉnh điện áp ở phía 34,5 kV của máy biến áp được lập trình để bù sụt điện áp đường dây đáp ứng nhu cầu của tất cả các mạch trong thời gian mang tải mùa hè. Cả hai trại gió đều thuộc cùng một mạch điện và cung cấp 15 MW đến 20 MW công suất cho lộ. Cũng lộ này phục vụ ba cơ sở thương mại, phụ tải bơm tưới đồng ruộng, các hộ gia đình và một trạm biến áp. Phụ tải đỉnh của mạch điện là 8 MW, phụ tải trung bình là 5 MW.
Các tuabin gió sử dụng hệ thống mạch góp 34,5 kV và được đấu nối với lưới truyền tải qua cầu dao phụ tải chân không, tự động đóng trở lại (vacuum recloser) có rơle điều khiển bảo vệ quá dòng. Hệ thống SCADA (giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu) của trại gió có khả năng ngắt trại gió khỏi lưới truyền tải khi hệ thống truyền tải không hoạt động do sự cố hoặc điều kiện bất lợi khác. Các tuabin gió có rơle bảo vệ thấp áp, điều khiển công suất phản kháng và hoà đồng bộ.
Các vấn đề về chất lượng điện
Một trong các vấn đề đầu tiên về chất lượng điện xảy ra đối với tuabin gió là tác động của chúng lên sơ đồ các máy biến áp 115 kV/69 kV vận hành song song trong trạm trung gian. Dòng công suất phản kháng lên thanh cái 115 kV khá lớn, gây ảnh hưởng tới việc chuyển nấc của bộ điều chỉnh điện áp khiến chúng chuyển sai tới trên ba nấc. Sơ đồ song song là sơ đồ dòng điện mạch vòng, khiến cho các bộ điều chỉnh điện áp bị khoá không chuyển nấc được khi các bộ điều chỉnh điện áp lệch nhau từ bốn nấc trở lên. Thường mỗi tuần các bộ điều chỉnh điện áp lại bị kẹt do bị khoá vì sai nấc.
Sau khi xem xét sự hoạt động của các bộ điều chỉnh điện áp người ta phát hiện công suất phản khác từ các tuabin gió đi vào thanh cái và qua các máy biến áp 115 kV/69 kV, tại đó các bộ điều chỉnh điện áp gặp trở kháng tương đối lớn, gây ảnh hưởng tới sơ đồ bộ điều chỉnh điện áp. Sau thời gian dài nghiên cứu, đã xác định rằng cần chuyển sơ đồ song song thành sơ đồ chủ/tớ (master/slave scheme), còn gọi là sơ đồ chốt nấc (lock-step scheme).
Với thay đổi này, máy biến áp chủ phản ứng với thay đổi trên thanh cái và sau đó thông tin cho máy biến áp kia khi nào chuyển nấc. Sau khi thực hiện thay đổi, các máy biến áp tiếp tục vận hành song song, nhưng hiện tượng kẹt bộ điều chỉnh điện áp giảm nhẹ đi nhiều.
Vấn đề còn lại liên quan đến trại gió là tác động lên các hộ tiêu thụ đấu nối vào cùng mạch điện. Hai trong số ba cơ sở thương mại bị ảnh hưởng của điện áp cao và hiện tượng nháy, khiến rơle của họ tác động làm cắt mạch. Người ta đã lắp các máy ghi chất lượng điện tại điểm đấu nối các trại gió và tại cơ sở của các hộ tiêu thụ bị ảnh hưởng. Các máy ghi cho thấy khi phụ tải mạch điện thấp và tuabin gió hoạt động, tình trạng vượt áp xuất hiện trên mạch điện khiến một số thiết bị của cơ sở thương mại tác động ngắt dựa theo giá trị đặt quá áp của rơle của các cơ sở này. Hiện tượng này xảy ra thường xuyên nên một cơ sở buộc phải cho nửa nhà máy của họ chạy bằng máy phát riêng thay vì sử dụng nguồn điện lưới.
Người ta đã tiến hành nghiên cứu, từ đó có được những thông tin về giải pháp thực hiện nhằm giảm nhẹ ảnh hưởng tới khách hàng. Một biện pháp đã thực hiện là hiệu chỉnh rơle khống chế công suất phản kháng và đặt dung sai chặt hơn, kết quả là tuabin gió vận hành với hệ số công suất được duy trì gần như bằng 1.
Một biện pháp khác đã áp dụng là hiệu chỉnh chế độ đặt của bộ điều chỉnh điện áp của máy biến áp 115 kV/34,5 kV. Việc hiệu chỉnh bao gồm thay đổi mức bù sụt áp đường dây, dải tác động và thời gian phản ứng của bộ điều chỉnh điện áp. Sau khi thực hiện cả hai biện pháp, các máy ghi chất lượng điện cho thấy điện áp nằm trong giới hạn điện áp theo tiêu chuẩn ANSI. Các cơ sở thương mại nói rằng thiết bị ghi của họ cho thấy điện áp đã được cải thiện và nhờ đó, họ quay về sử dụng điện lưới.
Thay đổi thế giới
Nguồn điện gió và các nguồn năng lượng tái tạo khác đang tiến triển tốt và có thể tự trang trải để đóng góp một phần cho lưới phân phối và truyền tải. Nguồn điện gió bổ sung điện năng và giúp giảm nhẹ căng thẳng trên lưới truyền tải hiện nay. Tuy nhiên, điều quan trọng là công ty điện lực phải làm việc với đơn vị triển khai các công trình năng lượng tái tạo này ngay từ khi bắt đầu dự án, về thiết kế các công trình này cũng như nâng cấp lưới điện để đối phó với tác động của nguồn điện tương lai này.
Các hệ thống điện đang trở nên ngày một nhạy cảm và phức tạp hơn, do vậy điều quan trọng là phải có tầm nhìn xa hơn. Các thông lệ tiêu chuẩn đã phục vụ tốt những năm gần đây giờ đây cần phải được hoàn thiện để bao quát những điều có thể xảy ra với năng lượng tái tạo và lưới điện thông minh mà chúng ta phải đối mặt.
Joel Arthur Barker, một tác giả theo trường phái vị lai nói: “Có tầm nhìn mà không hành động thì chỉ là ước mơ, hành động mà không có tầm nhìn khác gì phí thời gian, có tầm nhìn kết hợp với hành động thì có thể thay đổi thế giới.”
Thế giới chúng ta đang thay đổi, nhưng nó mang lại cho các công ty điện lực chúng ta cơ hội cải thiện phương cách chúng ta đưa điện đến cho khách hàng, trong đó có vấn đề chất lượng điện. Trong thời gian dài trước đây, hệ thống điện vận hành mà không có mấy sự thay đổi. Giờ đây, các công ty điện lực có cơ hội thay đổi ngành điện, giống như Nikola Tesla và George Westinghouse trước đây khi sáng tạo ra các hệ thống điện đầu tiên.