Một số công nghệ truyền tải điện tiên tiến hiện nay

Mục đích chủ yếu của việc cơ cấu lại ngành điện là đem lại cho khách hàng khả năng lựa chọn rộng rãi hơn các nhà cung cấp điện trong khi vẫn duy trì độ tin cậy truyền tải điện. Khi cơ cấu lại ngành điện, người ta vẫn hình dung rằng lưới truyền tải điện đương nhiên là phải linh hoạt, tin cậy, và rộng mở đối với mọi trao đổi, bất kể các đơn vị cung cấp và các hộ tiêu thụ điện nằm ở đâu.

Truyền tải điện cao thế, một vài công nghệ khác nhau (Ảnh minh họa)

Tuy nhiên, lưới truyền tải hiện có cũng như cơ sở hạ tầng quản lý lưới truyền tải hiện nay đều chưa thể hỗ trợ một cách đầy đủ những trao đổi đa dạng và rộng mở như vậy. Những giao dịch rất đáng thực hiện xét theo quan điểm thị trường có thể khác xa so với những giao dịch mà lưới điện truyền tải đã được thiết kế để thực hiện, và có thể ảnh hưởng tới giới hạn vận hành an toàn. Những rủi ro mà chúng gây ra có thể không được nhận ra kịp thời để ngăn ngừa sự cố khẩn cấp của hệ thống, và khi xảy ra sự cố, có thể đó lại là những loại sự cố ngoài dự kiến, khó xử lý nếu không sa thải phụ tải khách hàng.

Hệ thống truyền tải được xây dựng nhằm đáp ứng nhu cầu ban đầu của các công ty điện lực được tổ chức theo ngành dọc, đó là đưa điện năng từ cơ sở phát điện của công ty điện lực địa phương tới khách hàng của công ty. Việc kết nối các công ty điện lực ban đầu là nhằm giảm chi phí vận hành, và tăng độ tin cậy. Nghĩa là nếu bất ngờ bị mất một nguồn điện, công ty điện lực có thể tạm thời dựa vào công ty điện lực hàng xóm, nhờ đó giảm chi phí liên quan đến việc duy trì đủ nguồn điện dự phòng sẵn sàng hoạt động. Lưới điện không được thiết kế để truyền tải một lượng lớn điện năng đi xa.

Một trong những vấn đề khó khăn chủ yếu trong quản lý việc truyền tải điện năng đi xa là hiệu ứng “dòng công suất quẩn”. Dòng công suất quẩn tạo ra do bản chất không điều khiển được của hệ thống truyền tải. Khi dòng điện truyền từ người bán tới người mua, nó không đi theo bất kỳ một “tuyến theo hợp đồng” nào đã được định sẵn. Trên thực tế, dòng điện lan truyền (hoặc chạy quẩn) trong toàn bộ lưới điện.

Lưới điện truyền tải điện cao thế tại Mỹ (Ảnh minh họa)

Đường bao màu cho thấy phần tỉ lệ phần trăm của dòng truyền tải chạy qua mỗi đường dây; những đường dây mang không dưới 2% dòng điện truyền tải đều có đường bao màu.

Vấn đề dòng công suất quẩn là, khi có hàng trăm hay thậm chí hàng nghìn giao dịch đồng thời trên hệ thống truyền tải, sẽ dẫn đến sự cản trở lẫn nhau và tạo ra tắc nghẽn. Giảm tắc nghẽn là nhiệm vụ khó khăn về mặt kỹ thuật, và những vấn đề rất phức tạp nảy sinh khi tuyến dẫn dài, đi qua một số vùng mà trước đây người ta chưa từng phải điều phối những dạng vận hành như vậy. Các vấn đề này bao gồm (và không phải chỉ có vậy) việc thiếu các qui trình hiệu quả, thiếu kinh nghiệm vận hành, mô hình máy tính, và nguồn dữ liệu tích hợp. Lượng dữ liệu, thông tin khổng lồ về trạng thái hệ thống, các giao dịch, sự kiện đang là những khó khăn rất lớn gây ảnh hưởng đến hạ tầng kỹ thuật của công tác quản lý lưới điện hiện tại.

Để tăng công suất truyền tải của lưới điện truyền tải quốc gia (National Transmission Grid – NTG) cần phải ứng dụng kết hợp phần cứng với công nghệ thông tin. Về phần cứng, nhiều công nghệ có thể được phát triển, chỉnh sửa hoặc đơn giản chỉ cần lắp đặt trực tiếp để tăng cường khả năng truyền tải hiện nay. Các phương pháp này bao gồm, từ việc tăng cường thụ động (như xây dựng mới đường điện xoay chiều trên hành lang tuyến mới hoặc sử dụng tốt hơn hành lang tuyến đường dây xoay chiều hiện có nhờ cấu hình và vật liệu thiết bị cải tiến) tới thiết bị siêu dẫn, thiết bị quy mô lớn nhằm đưa dòng điện trên lưới đi đúng hướng. Công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều (Hight-voltage Direct Current – HVDC) và công nghệ truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (Flexible Alternating Current Transmission – FACTS) tỏ ra đặc biệt hấp dẫn đối với việc điều khiển dòng điện. Khi được triển khai và vận hành hiệu quả, những công nghệ này có thể có giá trị lớn trong việc nâng cao công suất lưới điện và giảm thiểu nhu cầu xây dựng các công trình truyền tải mới.

Công nghệ truyền tải cao áp một chiều (Ảnh minh họa)

Tuy nhiên, điều cấp bách mang tính chiến lược là phát triển tốt hơn các nguồn lực thông tin về mọi khía cạnh quản lý lưới điện – quy hoạch, phát triển, và vận hành. Các công nghệ như FACTS quy mô lớn nói chung đòi hỏi sự hỗ trợ từ hệ thống đo diện rộng (Wide Area Measurement System – WAMS), mà hiện nay mới chỉ ở dạng nguyên mẫu. Nếu không có WAMS, công nghệ FACTS hoặc bất kỳ công nghệ điều khiển lớn nào đều không thể điều chỉnh để đạt được hiệu quả đầy đủ của nó, và trong trường hợp cực đoan, còn có thể tác động nguy hại trở lại tới các thiết bị khác. Công nghệ FACTS có thể đem lại cho truyền tải “sức mạnh” nhưng chưa chắc đã đem lại “sự thông minh” để áp dụng nó.

Xem lại dữ liệu thu thập được từ hệ thống WAMS của Điện lực Bonneville (Bonneville Power Administration – BPA) sau sự kiện chao đảo lưới điện năm 1996 cho thấy có thông tin là phản ứng của hệ thống là bất bình thường và rằng hệ thống điện đang trong tình trạng dễ bị tổn thương một cách bất thường, nhưng thông tin này đã bị vùi lấp trong các phép đo được gửi vào và lưu trữ tại trung tâm điều khiển.

Giá như vào thời đó có những công cụ tốt hơn thì thông tin này có lẽ đã cảnh báo các nhà vận hành gần 6 phút về sự việc dẫn tới rã lưới hệ thống.
Thông tin tốt hơn là chìa khóa cho các quyết định quản lý tốt hơn lưới điện.

Thiếu hụt thông tin trong quản lý lưới điện

Khi lưới điện được vận hành tới gần giới hạn an toàn, thì việc biết chính xác những giới hạn này là tới đâu và biên vận hành của hệ thống còn lại bao nhiêu ngày càng trở nên quan trọng hơn. Các giới hạn và biên này phải được ước tính thông qua mô hình trên máy tính và kết hợp với kinh nghiệm vận hành điều mà các mô hình khó có thể hoặc nhiều khi không thể phản ảnh được.

“Giới hạn” vận hành an toàn được xác định bằng rất nhiều khía cạnh của phản ứng của hệ thống và phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện vận hành hệ thống. Một số điều kiện này không được người vận hành nắm rõ, và thậm chí nếu biết, chúng cũng có thể thay đổi đột ngột. Các điều kiện quan trọng bao gồm công suất tải lưới điện, trạng thái vận hành và hoạt động của các thành phần truyền tải quan trọng, đặc tính của phụ tải điện, trạng thái vận hành và hoạt động của các hệ thống điều khiển chính, tương tác giữa lưới điện và các máy phát đấu nối vào lưới điện. Để lưới truyền tải điện phát huy đầy đủ tính năng, các máy phát phải hỗ trợ điện áp một cách thích đáng cùng với nhiều chức năng hỗ trợ động khác nhau nhằm duy trì chất lượng điện trong các điều kiện bình thường và trợ giúp hệ thống khi bị chao đảo.

Tất cả các điều kiện này ngày một trở nên khó hơn trong việc dự đoán, lập mô hình và đo trực tiếp. Việc cơ cấu lại ngành điện càng khiến những khó khăn này trở nên nặng nề hơn vì nó đòi hỏi hạ tầng truyền tải phải được quản lý nhưng với lượng thông tin tối thiểu liên quan tới các tài sản nguồn. Mượn lời phát biểu của Viện nghiên cứu điện lực Mỹ (EPRI), thì đây là một trong những lĩnh vực có “vai trò tương tác tối quan trọng” giữa “công nghệ và chính sách”.

Những năm gần đây, nhiều trường hợp cho thấy “giới hạn” vận hành an toàn lưới điện tiến sát hơn so với các mô hình quy hoạch đưa ra. Sự kiện rã lưới Hệ thống miền Tây (Western System) năm 1996 là đặc biệt điển hình về vấn đề này, nhưng trước đó và cho đến nay, những cảnh báo lại không mấy rõ ràng. Những yếu tố bất định về khả năng thực của hệ thống là vấn đề mang tính lâu dài, và cũng có nhiều vấn đề giống như vậy trên toàn lưới điện truyền tải quốc gia.

Việc phát triển và duy trì các mô hình thực tế mô phỏng đặc tính của hệ thống điện là khó khăn về mặt kỹ thuật và hành chính, nó đòi hỏi công nghệ quy hoạch ở mức cao hơn so với trước đây. Cần phải bổ sung một công nghệ qui hoạch tiên tiến – cộng với đội ngũ nhân viên am hiểu vấn đề để tư vấn về phát triển và sử dụng công nghệ này – để hỗ trợ những đáp ứng kịp thời, thích hợp, và hiệu quả về chi phí cho các nhu cầu của hệ thống. Có nguồn lực kế hoạch tốt hơn là chìa khoá để vận hành tốt hơn các thiết bị hiện có, lường trước kịp thời các vấn đề của hệ thống, và nhận thức đầy đủ giá trị mà việc nâng cấp công nghệ mang lại trên mọi cấp độ của hệ thống điện.

Những thách thức và cơ hội trong điều khiển lưới điện

Như đã lưu ý ở phần trên, hệ thống truyền tải điện xoay chiều hiện có không thể trực tiếp điều khiển được; dòng điện lan tỏa ra toàn bộ lưới điện, tuỳ thuộc vào trở kháng của thành phần trong hệ thống. Ứng với một tập hợp đã cho các điện áp máy phát và phụ tải hệ thống, hướng công suất trong lưới được quyết định bởi các thông số của lưới điện.

Điều khiển các thông số lưới điện trong hệ thống điện xoay chiều thường hết sức hạn chế, vì vậy điều phối các máy phát là phương tiện cơ bản để điều chỉnh dòng điện nhằm sử dụng tốt nhất công suất lưới điện. Khi việc điều phối các máy phát không đạt hiệu quả, lựa chọn duy nhất đó là kiểm soát phụ tải bằng cách hạ điện áp hoặc ngừng cung cấp điện. Việc khống chế phụ tải là cần thiết ngay cả khi một số đường dây không mang tải hết công suất.

Giải pháp được ưa chọn sẽ là kiểm soát dòng công suất ở mức cao hơn so với khả năng hiện nay, cho phép sử dụng hiệu quả hơn khả năng truyền tải. Các thiết bị truyền thống để kiểm soát dòng công suất bao gồm các tụ điện nối tiếp nhằm giảm trở kháng đường dây, thiết bị dịch góc pha, và thiết bị bù cố định được đấu vào cuối đường dây để điều chỉnh điện áp.

Tất cả các thiết bị loại này sử dụng các thiết bị đóng cắt cơ khí, giá thành tương đối rẻ và đã qua kiểm chứng nhưng thao tác chậm và dễ bị mòn hỏng, điều này có nghĩa là không nên thao tác thường xuyên và /hoặc sử dụng cho nhiều chế độ; tóm lại, thiết bị đóng cắt cơ khí không phải là thiết bị điều khiển thực sự linh hoạt. Tuy nhiên, chúng vẫn là những phương tiện cơ bản dùng để điều khiển theo cấp các dòng công suất lớn.

Thiết bị truyền tải HVDC cho phép điều khiển ở mức cao hơn nhiều. Nếu như có đủ sự hỗ trợ của hệ thống điện xoay chiều xung quanh, thì có thể kiểm soát được một cách chính xác và nhanh chóng dòng điện chạy trên đường dây HVDC bằng cách đặt tín hiệu lên các bộ biến đổi, từ điện xoay chiều sang điện một chiều và sau đó trở lại xoay chiều. Trong các điều kiện đặc biệt, việc điều khiển HVDC cũng có thể dùng để điều chỉnh điện áp xoay chiều tại một hoặc nhiều bộ biến đổi. Khả năng linh hoạt này có được là nhờ sử dụng thiết bị đóng cắt điện tử bán dẫn, thường là thyristor tức là các thiết bị GTO.

Mặc dù việc điều khiển HVDC có thể ảnh hưởng tới dòng công suất nói chung, nhưng ít khi nó có thể khống chế được đầy đủ dòng điện trên các đường dây truyền tải xoay chiều cụ thể. Tuy nhiên, nếu được nâng cấp để sử dụng các bộ phận đóng cắt điện tử thay vì cơ khí, các bộ điều khiển dòng công suất truyền thống có thể đạt được khả năng khống chế này. Việc nâng cấp này mở đường cho cả một lớp rộng lớn và ngày càng đông đảo các công nghệ điều khiển mới, mang tên công nghệ FACTS. Rất ít công ty điện lực sẵn sàng vượt qua tình trạng ngõ cụt này khi mà chức năng quản lý, nơi mà những công nghệ cao như FACTS là sự thích hợp đầu tiên, đang chuyển từ các công ty điện lực sang một cơ sở hạ tầng mới dựa trên các Tổ chức Truyền tải điện Khu vực (Regional Transmission Organization – RTO), các cơ sở Vận hành Hệ thống Độc lập (Indepedent System Operator – ISO) và các pháp nhân khác.

Sự quá độ này còn lâu mới có thể gọi là hoàn thành ở phần lớn khu vực ở Hoa Kỳ, và đến nay vẫn chưa có “hình mẫu thiết kế” cho bản chất và yêu cầu về công nghệ của cơ sở hạ tầng mới này.