Duy trì ổn định lưới điện trong kỷ nguyên năng lượng tái tạo

Bối cảnh năng lượng toàn cầu đang trải qua một sự thay đổi sâu sắc, được thúc đẩy bởi nhu cầu cấp thiết về việc khử cacbon trong sản xuất điện và giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu. Trọng tâm của quá trình chuyển đổi này là việc áp dụng rộng rãi các nguồn năng lượng tái tạo (RES) như điện mặt trời (PV) và điện gió. Mặc dù RES mang lại nhiều lợi ích về môi trường và kinh tế, tính biến đổi và không liên tục vốn có của chúng lại đặt ra những thách thức đáng kể đối với việc duy trì sự ổn định và độ tin cậy của lưới điện.

Tìm hiểu về ổn định lưới điện: Những kiến thức cơ bản

Ổn định lưới điện là khả năng của một hệ thống điện duy trì trạng thái vận hành ổn định sau một sự cố, đảm bảo cung cấp điện liên tục và đáng tin cậy cho người tiêu dùng. Một lưới điện ổn định hoạt động trong các dải tần số và điện áp chấp nhận được, cân bằng hiệu quả giữa cung và cầu ở mọi thời điểm. Một số yếu tố chính góp phần vào sự ổn định của lưới điện:

• Điều tần: Duy trì tần số không đổi (thường là 50 Hz hoặc 60 Hz) là rất quan trọng. Sự mất cân bằng giữa nguồn phát và phụ tải gây ra sai lệch tần số, nếu không được khắc phục, có thể dẫn đến hư hỏng thiết bị và thậm chí là mất điện.
• Điều áp: Duy trì mức điện áp trong giới hạn cho phép là điều cần thiết để các thiết bị điện hoạt động bình thường và ngăn ngừa sụp đổ điện áp.
• Quán tính: Lực cản vốn có đối với sự thay đổi tần số, chủ yếu được cung cấp bởi khối lượng quay của các máy phát điện truyền thống (ví dụ: nhà máy điện than, khí và hạt nhân). Quán tính giúp giảm thiểu các dao động tần số và tạo thời gian cho các hệ thống điều khiển phản ứng với sự mất cân bằng.
• Khả năng vượt qua sự cố (FRT): Khả năng của các máy phát điện duy trì kết nối với lưới điện trong thời gian sụt áp do ngắn mạch hoặc các sự cố khác.
• Hỗ trợ công suất phản kháng: Khả năng cung cấp hoặc hấp thụ công suất phản kháng để duy trì ổn định điện áp.

Những thách thức do năng lượng tái tạo đặt ra

Việc tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện mặt trời và điện gió, mang đến một số thách thức có thể ảnh hưởng đến sự ổn định của lưới điện:

Tính biến đổi và không liên tục

Sản xuất điện mặt trời và điện gió vốn có tính biến đổi, phụ thuộc vào điều kiện thời tiết như cường độ ánh sáng mặt trời và tốc độ gió. Sự biến đổi này có thể dẫn đến những biến động không thể đoán trước trong nguồn cung cấp điện, gây khó khăn cho việc cân bằng giữa nguồn phát và phụ tải. Ví dụ, một đám mây đột ngột che phủ có thể làm giảm đáng kể sản lượng điện mặt trời, đòi hỏi phải có sự điều chỉnh nhanh chóng từ các nguồn phát điện khác hoặc hệ thống lưu trữ năng lượng.

Ví dụ: Tại Đức, một quốc gia có tỷ lệ thâm nhập điện mặt trời cao, các nhà vận hành lưới điện phải liên tục theo dõi dự báo thời tiết và điều chỉnh sản lượng của các nhà máy điện khác để bù đắp cho sự biến động trong sản xuất điện mặt trời. Tương tự, tại Đan Mạch, một nhà sản xuất điện gió hàng đầu, sự thay đổi tốc độ gió đòi hỏi các cơ chế dự báo và cân bằng phức tạp.

Giảm quán tính

Không giống như các máy phát điện truyền thống, nhiều công nghệ năng lượng tái tạo, chẳng hạn như điện mặt trời và một số tua-bin gió, được kết nối với lưới điện thông qua các bộ biến tần điện tử công suất, vốn không cung cấp quán tính. Khi các máy phát điện truyền thống bị thay thế bởi năng lượng tái tạo, quán tính tổng thể của lưới điện giảm xuống, khiến nó dễ bị dao động tần số hơn và tăng nguy cơ mất ổn định. Hiện tượng này đôi khi được gọi là "lỗ hổng quán tính".

Ví dụ: Úc, với công suất điện mặt trời và điện gió đang tăng trưởng nhanh chóng, đã phải đối mặt với những thách thức liên quan đến việc giảm quán tính lưới điện. Một số sáng kiến đang được triển khai để giải quyết vấn đề này, bao gồm việc triển khai các máy bù đồng bộ và các bộ biến tần tạo lưới (grid-forming inverters).

Nguồn phát phụ thuộc vào vị trí địa lý

Các nguồn năng lượng tái tạo thường được đặt ở những khu vực xa xôi, cách xa các trung tâm phụ tải. Điều này đòi hỏi phải xây dựng các đường dây truyền tải mới để vận chuyển điện đến người tiêu dùng, có thể tốn kém và mất thời gian. Hơn nữa, các đường dây truyền tải dài có thể dễ bị nghẽn mạch và gặp các vấn đề về ổn định điện áp.

Ví dụ: Việc phát triển các trang trại điện gió quy mô lớn ở các vùng hẻo lánh của Patagonia, Argentina, đòi hỏi đầu tư đáng kể vào cơ sở hạ tầng truyền tải điện cao thế để cung cấp điện cho các thành phố lớn như Buenos Aires.

Dòng công suất ngược

Nguồn phát phân tán từ các hệ thống điện mặt trời áp mái có thể gây ra dòng công suất ngược trong mạng lưới phân phối, nơi điện năng chảy từ người tiêu dùng trở lại lưới điện. Điều này có thể làm quá tải các máy biến áp phân phối và tạo ra các vấn đề về điều chỉnh điện áp. Lưới điện thông minh và các hệ thống điều khiển tiên tiến là cần thiết để quản lý hiệu quả dòng công suất ngược.

Ví dụ: California, Hoa Kỳ, có tỷ lệ thâm nhập điện mặt trời áp mái cao, dẫn đến những thách thức trong việc quản lý dòng công suất ngược và duy trì ổn định điện áp trong mạng lưới phân phối. Các công ty điện lực đang triển khai các công nghệ lưới điện thông minh và hệ thống giám sát tiên tiến để giải quyết những vấn đề này.

Các giải pháp duy trì ổn định lưới điện với năng lượng tái tạo

Để giải quyết những thách thức do năng lượng tái tạo đặt ra, cần có một cách tiếp cận đa diện, bao gồm những tiến bộ công nghệ, thay đổi chính sách và các chiến lược quản lý lưới điện sáng tạo:

Dự báo tiên tiến

Dự báo chính xác sản lượng năng lượng tái tạo là điều cần thiết để quản lý lưới điện hiệu quả. Các mô hình dự báo tiên tiến có thể dự đoán sản lượng điện mặt trời và điện gió với độ chính xác ngày càng cao, cho phép các nhà vận hành lưới điện dự đoán trước các biến động và thực hiện các điều chỉnh cần thiết. Các mô hình này sử dụng dữ liệu khí tượng, thuật toán học máy và các phép đo cảm biến thời gian thực.

Ví dụ: Mạng lưới các nhà vận hành hệ thống truyền tải điện châu Âu (ENTSO-E) đang phát triển các công cụ dự báo tinh vi để dự đoán sản lượng điện gió và điện mặt trời trên khắp châu Âu, cho phép phối hợp và cân bằng cung cấp điện tốt hơn.

Lưu trữ năng lượng

Các công nghệ lưu trữ năng lượng, chẳng hạn như pin, thủy điện tích năng, và lưu trữ năng lượng bằng khí nén (CAES), có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu sự biến đổi của năng lượng tái tạo và tăng cường sự ổn định của lưới điện. Hệ thống lưu trữ năng lượng có thể hấp thụ điện dư thừa trong thời kỳ sản xuất năng lượng tái tạo cao và giải phóng nó trong thời kỳ sản xuất thấp, giúp cân bằng cung và cầu. Pin lithium-ion hiện là công nghệ lưu trữ năng lượng được triển khai rộng rãi nhất, nhưng các công nghệ khác cũng đang dần được chú ý.

Ví dụ: Nam Úc đã triển khai một số hệ thống lưu trữ pin quy mô lớn để cải thiện sự ổn định của lưới điện và hỗ trợ tích hợp năng lượng tái tạo. Hornsdale Power Reserve, một hệ thống pin lithium-ion 100 MW/129 MWh, đã chứng minh khả năng phản ứng nhanh với các nhiễu loạn tần số và cải thiện độ tin cậy của lưới điện.

Công nghệ lưới điện thông minh

Các công nghệ lưới điện thông minh, bao gồm cơ sở hạ tầng đo lường tiên tiến (AMI), bộ biến tần thông minh, và hệ thống giám sát diện rộng (WAMS), cung cấp khả năng hiển thị và kiểm soát nâng cao đối với lưới điện, cho phép vận hành hiệu quả và đáng tin cậy hơn. Các bộ biến tần thông minh có thể cung cấp hỗ trợ công suất phản kháng, điều chỉnh điện áp và khả năng đáp ứng tần số, trong khi WAMS có thể giám sát các điều kiện lưới điện trong thời gian thực và phát hiện các vấn đề mất ổn định tiềm ẩn trước khi chúng leo thang.

Ví dụ: Liên minh Năng lượng Điện Thông minh (SEPA) tại Hoa Kỳ đang thúc đẩy việc áp dụng các công nghệ lưới điện thông minh để tạo điều kiện thuận lợi cho việc tích hợp năng lượng tái tạo và cải thiện khả năng phục hồi của lưới điện.

Bộ biến tần tạo lưới (Grid-Forming Inverters)

Bộ biến tần tạo lưới là một thế hệ biến tần mới có thể chủ động điều chỉnh điện áp và tần số, cung cấp quán tính tổng hợp và tăng cường sự ổn định của lưới điện. Không giống như các bộ biến tần bám lưới (grid-following) truyền thống, vốn dựa vào điện áp và tần số của lưới làm tham chiếu, bộ biến tần tạo lưới có thể hoạt động tự chủ và tạo ra điện áp và tần số của riêng chúng, bắt chước hành vi của các máy phát điện truyền thống. Các bộ biến tần này đặc biệt hữu ích ở những khu vực có tỷ lệ thâm nhập năng lượng tái tạo cao và quán tính thấp.

Ví dụ: Một số dự án thí điểm đang được triển khai trên khắp thế giới để thử nghiệm hiệu suất của các bộ biến tần tạo lưới trong điều kiện lưới điện thực tế. Các dự án này đang chứng minh tiềm năng của bộ biến tần tạo lưới trong việc cải thiện sự ổn định của lưới điện và tạo điều kiện thuận lợi cho việc tích hợp các mức năng lượng tái tạo thậm chí còn cao hơn.

Máy bù đồng bộ

Máy bù đồng bộ là các máy điện quay cung cấp hỗ trợ công suất phản kháng và quán tính cho lưới điện. Chúng không phát điện mà thay vào đó cung cấp một nguồn công suất phản kháng ổn định để duy trì mức điện áp và giảm thiểu các dao động tần số. Máy bù đồng bộ có thể đặc biệt hữu ích ở những khu vực mà các máy phát điện truyền thống đã ngừng hoạt động và lưới điện thiếu quán tính đủ.

Ví dụ: National Grid ở Vương quốc Anh đã triển khai các máy bù đồng bộ để cải thiện sự ổn định của lưới điện và hỗ trợ tích hợp năng lượng tái tạo ở những khu vực mà các nhà máy điện truyền thống đã ngừng hoạt động.

Đáp ứng phụ tải

Các chương trình đáp ứng phụ tải khuyến khích người tiêu dùng giảm mức tiêu thụ điện trong thời gian nhu cầu cao điểm, giúp cân bằng cung và cầu và giảm nhu cầu về các nhà máy điện chạy đỉnh. Đáp ứng phụ tải cũng có thể được sử dụng để hấp thụ sản lượng năng lượng tái tạo dư thừa, tăng cường hơn nữa sự ổn định của lưới điện. Có nhiều cơ chế đáp ứng phụ tải khác nhau, bao gồm giá điện theo thời gian sử dụng, điều khiển phụ tải trực tiếp và biểu giá có thể gián đoạn.

Ví dụ: Nhật Bản đã thực hiện các chương trình đáp ứng phụ tải sâu rộng để quản lý nhu cầu điện trong thời gian nhu cầu cao và để tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo biến đổi. Sau thảm họa hạt nhân Fukushima Daiichi, đáp ứng phụ tải đã đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo cung cấp điện đáng tin cậy.

Truyền tải điện một chiều cao thế (HVDC)

Công nghệ truyền tải điện một chiều cao thế (HVDC) mang lại một số lợi thế so với truyền tải điện xoay chiều (AC) cho việc truyền tải điện đường dài. Các đường dây HVDC có thể truyền tải một lượng lớn điện năng với tổn thất thấp hơn và có thể cải thiện sự ổn định của lưới điện bằng cách tách rời các lưới điện AC khác nhau. HVDC đặc biệt hữu ích để kết nối các nguồn năng lượng tái tạo ở xa với các trung tâm phụ tải.

Ví dụ: Đường dây truyền tải HVDC Tương Gia Bá–Thượng Hải ở Trung Quốc truyền tải thủy điện từ khu vực tây nam xa xôi của đất nước đến bờ biển phía đông dân cư đông đúc, cải thiện sự ổn định của lưới điện và giảm sự phụ thuộc vào các nhà máy điện đốt than.

Khung chính sách và quy định

Các khung chính sách và quy định hỗ trợ là cần thiết để tạo điều kiện thuận lợi cho việc tích hợp năng lượng tái tạo và duy trì sự ổn định của lưới điện. Các khung này nên khuyến khích đầu tư vào lưu trữ năng lượng, công nghệ lưới điện thông minh và hiện đại hóa lưới điện. Chúng cũng nên thiết lập các quy tắc và ưu đãi rõ ràng cho các nhà vận hành lưới điện để quản lý hiệu quả các nguồn năng lượng tái tạo biến đổi. Các cơ chế thị trường coi trọng các dịch vụ lưới điện do năng lượng tái tạo cung cấp, chẳng hạn như điều tần và hỗ trợ điện áp, cũng rất quan trọng.

Ví dụ: Chỉ thị Năng lượng Tái tạo của Liên minh Châu Âu đặt ra các mục tiêu triển khai năng lượng tái tạo và thúc đẩy sự phát triển của một lưới điện thông minh và linh hoạt để tích hợp các nguồn này. Chỉ thị cũng khuyến khích phát triển các kết nối điện xuyên biên giới để cải thiện sự ổn định của lưới điện và an ninh cung cấp.

Tương lai của ổn định lưới điện với năng lượng tái tạo

Quá trình chuyển đổi sang một tương lai năng lượng sạch đòi hỏi một sự thay đổi cơ bản trong cách chúng ta thiết kế, vận hành và điều tiết lưới điện. Khi tỷ lệ thâm nhập năng lượng tái tạo tiếp tục tăng, sự ổn định của lưới điện sẽ càng trở nên quan trọng hơn. Việc tích hợp các công nghệ tiên tiến, các chiến lược quản lý lưới điện sáng tạo và các chính sách hỗ trợ sẽ là điều cần thiết để đảm bảo cung cấp điện đáng tin cậy và giá cả phải chăng. Các lĩnh vực trọng tâm cho tương lai bao gồm:

• Tiếp tục phát triển các công nghệ lưu trữ năng lượng: Giảm chi phí và cải thiện hiệu suất của các hệ thống lưu trữ năng lượng là rất quan trọng để giảm thiểu sự biến đổi của năng lượng tái tạo.
• Tiến bộ của các công nghệ lưới điện thông minh: Phát triển các công nghệ lưới điện thông minh tinh vi hơn sẽ cho phép giám sát, kiểm soát và tối ưu hóa lưới điện tốt hơn.
• Tích hợp trí tuệ nhân tạo và học máy: AI và học máy có thể được sử dụng để cải thiện độ chính xác của dự báo, tối ưu hóa hoạt động của lưới điện và phát hiện các vấn đề mất ổn định tiềm ẩn.
• Phát triển các kiến trúc lưới điện mới: Khám phá các kiến trúc lưới điện mới, chẳng hạn như lưới điện vi mô (microgrids) và tập hợp các nguồn năng lượng phân tán (DER), có thể tăng cường khả năng phục hồi và tính linh hoạt của lưới điện.
• Hợp tác lưới điện xuyên biên giới: Tăng cường hợp tác giữa các quốc gia và khu vực là điều cần thiết để chia sẻ tài nguyên và cải thiện sự ổn định của lưới điện trên quy mô lớn hơn.

Kết luận

Duy trì ổn định lưới điện trong kỷ nguyên năng lượng tái tạo là một mục tiêu phức tạp nhưng có thể đạt được. Bằng cách nắm bắt sự đổi mới công nghệ, thực hiện các chính sách hỗ trợ và thúc đẩy sự hợp tác giữa các bên liên quan, chúng ta có thể tạo ra một hệ thống điện đáng tin cậy và bền vững, đáp ứng nhu cầu năng lượng của thế giới đồng thời bảo vệ môi trường. Con đường phía trước đòi hỏi một nỗ lực phối hợp từ các chính phủ, các công ty điện lực, các nhà nghiên cứu và người tiêu dùng để xây dựng một lưới điện phù hợp cho thế kỷ 21 và xa hơn nữa. Chìa khóa là lập kế hoạch chủ động, đầu tư vào cơ sở hạ tầng hiện đại và sẵn sàng thích ứng với bối cảnh năng lượng đang thay đổi.