Hệ thống điện 24/7

[bkeps.com]Khắp nơi trên thế giới, nhu cầu điện đang tăng lên liên tục, đều đặn, và hệ thống cung cấp điện đang chịu những thách thức nghiêm trọng. Ở các nước công nghiệp, cơ sở hạ tầng truyền tải điện không theo kịp đà tăng trưởng, và trở nên cũ nát quá mức dự kiến bình thường. Ở các nước đang phát triển và mới nổi lên, những cơ sở hạ tầng này chưa có hoặc còn hết sức hạn chế. Để giải quyết hai vấn đề trên phải xây dựng các mạch kết nối truyền tải thích hợp, có sử dụng các công nghệ tiên tiến.

Sự tương tác giữa các đường dây truyền tải có thể lớn đến mức phải giới hạn công suất của mạch. Các yếu tố giới hạn là quá tải nhiệt, sự không ổn định và tính năng điện áp kém. Đã vậy, các tuyến khác nhau trên lưới điện có thể gây ra hiện tượng tắc nghẽn hoặc dòng  điện quẩn.

Dòng điện quẩn là hiện tượng còn có tên gọi là dòng điện ngoài dự kiến. Dòng điện chạy qua tất cả các tuyến đi song song của lưới điện, nhưng không phân chia đều. Một giao dịch điện năng có thể yêu cầu đưa điện năng trực tiếp từ bang Arizona để sử dụng ở bang Utah, nhưng do hiện tượng dòng điện quẩn, nó đi tới bang California, bang Oregon và bang Idaho trước khi đến bang Utah. Đây là dòng không ngoài dự kiến, nó có thể buộc các công ty điện lực cắt giảm giao dịch điện năng để ngăn ngừa hệ thống quá tải; vì vậy công suất mạch điện trở thành vấn để khó giải quyết.

Công suất này do cơ quan truyền tải điện địa phương quy định. Thành phần của cơ quan này bao gồm những người sở hữu của các hệ thống được kết nối và họ đã đàm phán để đi tới thoả thuận về mỗi mạch điện. Đôi khi do các điều kiện vận hành mà công suất truyền thực tế của mạch điện thấp hơn giá trị danh định của mạch, bởi vì nó dựa vào công suất truyền tối đa có thể quản lý được một cách tin cậy trong mọi điều kiện.

Vượt qua khó khăn

Nếu không đầu tư thêm vào hệ thống truyền tải, tắc nghẽn lưới điện sẽ gia tăng, khiến cho nguồn cung cấp khả dụng gặp khó khăn hơn trong việc đáp ứng nhu cầu phụ tải và tạo điều kiện dễ dàng để phát huy tính đa dạng của công suất/nhu cầu. Trong một số tình huống, điều này có thể dẫn tới thiếu nguồn cung cấp và vô tình gián đoạn cung cấp điện cho khách hàng. Nhưng, cần phải có thời gian để xây dựng các đường dây điện. Ông Mark Lauby, quản lý đánh giá độ tin cậy của North American Electric Reliability Corp (NERC), cho biết phải mất 7 năm, thậm chí còn lâu hơn để thiết kế kỹ thuật, cấp phép và xây dựng đường dây truyền tải điển hình. Ông Lauby cho rằng thách thức thực sự là khả năng xác định địa điểm xây dựng mới các nhà máy điện và đường dây đúng nơi cần thiết chứ không phải là địa điểm có thể xin được giấy phép. Xây dựng đường truyền tải mới thực sự là quá tốn kém; lối thoát là sử dụng công nghệ hiện đại để cải thiện các công trình hiện có. Ông Lauby cho biết NERC trung lập về công nghệ, chừng nào các bước thực hiện nâng cao được tin cậy.

Viện Điện Edison (Edison Electric Institute - EEI) đã nêu trong tài liệu Điểm qua các dự án truyền tải, xuất bản năm 2007, rằng ngành điện Mỹ đã vượt qua thời điểm khó khăn. Tình trạng bỏ bễ đầu tư vào hệ thống truyền tải, vốn hết sức phổ biến trong thời kỳ từ đầu những năm 1970 đến năm 1999, nay đã kết thúc. Các công ty thành viên của EEI báo cáo đã chi trên 28 tỷ USD trong thời gian từ năm 2000 đến năm 2005 cho các dự án truyền tải và có kế hoạch tăng mức chi lên khoảng 31,5 tỷ USD cho giai đoạn 2006 - 2009. Các thành viên của EEI hiểu rằng, với một hệ thống truyền tải sử dụng công nghệ của thế kỷ 20 thì hầu như không thể đưa dòng điện đi theo một tuyến cụ thể. Đó là lý do tại sao chúng ta thấy có một số dự án không phải là đường dây truyền tải được ghi trong báo cáo, mặc dầu không làm tăng thêm tổng chiều dài đường dây, nhưng lại có thể giúp chúng ta cải thiện và sử dụng hiệu quả các công trình hiện có. Các công nghệ tiên tiến của lưới điện thông minh đem lại những lợi ích rõ rệt cho hệ thống truyền tải, cụ thể là tăng khả năng truyền tải, khả năng khống chế và củng cố toàn bộ hệ thống truyền tải.

Đơn giản hóa những vấn đề phức tạp

Công ty Edison Southern California (SCE; trụ sở tại Rosemead, bang California, Mỹ) có hơn 6.600 dặm (10.622 km) đường dây truyền tải và 17 hệ thống phục hồi (remedial action scheme - RAS) cục bộ nằm trong hành lang truyền tải điện. RAS là một qui trình tự động phát hiện các vấn đề của hệ thống và tự động thực hiện các bước nhằm giảm nhẹ mọi tác động bất lợi trên hệ thống truyền tải. Hệ thống này phát hiện và thực hiện nhanh hơn so với sự can thiệp của con người. Hệ thống cũng có khả năng thực hiện các thao tác mà để được phép phải mất nhiều thời gian chờ đợi phê chuẩn.

SCE đề xuất đưa vấn đề này vào bước phát triển logic tiếp theo và thay thế các RAS cục bộ bằng một hệ thống tập trung, gọi là C-RAS. SCE sẽ sử dụng công nghệ tiên tiến sẵn có trên thị trường để đơn giản hoá toàn bộ qui trình. Hệ thống này sẽ sử dụng các bộ theo dõi pha (phasor monitoring unit) kết hợp với thiết bị bảo vệ và điều khiển tương thích với tiêu chuẩn IEC 61850, và truyền thông mạng Ethernet sự kiện trong hệ thống hướng theo loại đối tượng tốc độ cao (high -speed generic object - oriented system event Ethernet communication). SCE kỳ vọng có thể nâng công suất truyền tải, bổ sung hệ thống dễ dàng hơn và giảm các vấn đề về ổn định trong toàn hệ thống mà không cần bổ sung thêm công trình truyền tải.

Chính là các thiết bị FACTS

Công suất hữu công, tính bằng oát (W), là công suất làm động cơ quay, chiếu sáng và sưởi ấm/làm mát. Công suất phản kháng, đo bằng von ampe phản kháng (VAR), giúp tạo ra từ trường, điện trường cần thiết để dòng điện xoay chiều hoạt động. Ở chế độ cơ bản nhất, các thiết bị FACTS (flexible AC transmission system - hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt), còn gọi là các bộ khống chế (controller), chính là các hệ thống điện tử công suất có chức năng khống chế công suất phản kháng. Sử dụng trong cấu hình phức tạp hơn, FACTS cho phép khống chế một hay nhiều thông số của hệ thống truyền tải xoay chiều, trong đó có khống chế động điện áp, dòng điện, trở kháng và góc pha.

Tiến sĩ Narain Hingorani, được nhiều người coi là cha đẻ của FACTS, nói rằng FACTS là một công nghệ mở ra nhiều khả năng. FACTS cho phép công ty điện lực khắc phục mọi ràng buộc hay hạn chế trên hệ thống điện gây ra bởi tính năng điện áp kém, các quá độ hay tính ổn định bằng cách khống chế liên tục các dòng công suất tác dụng và phản kháng. Ông Hingorani tin rằng các ứng dụng của công nghệ FACTS không diễn ra nhanh như mong đợi vì sự bấp bênh của thị trường do môi trường điều tiết gây ra.

Tụ điện phân dòng đóng cắt bằng cơ khí có thể sử dụng để cung cấp công suất phản kháng, cuộn kháng phân dòng đóng cắt bằng cơ khí có thể sử dụng để tiêu thụ công suất phản kháng, nhưng chúng không thể xử lý được đóng cắt động. Đây là lĩnh vực mà các thiết bị FACTS thể hiện vai trò mạnh mẽ. Kết hợp hai thiết bị phân dòng này và đóng cắt chúng bằng thiết bị điện tử công suất ta sẽ được một thiết bị FACTS, cũng được mang tên là thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh (static VAR compensator - SVC), là nguồn thay đổi công suất phản kháng.

Ban truyền tải và phân phối điện của hãng Siemens (trụ sở tại Erlangen, Đức) gần đây đã đưa vào vận hành công trình FACTS lớn nhất ở Bắc Mỹ, được sử dụng để tăng cường đường dây truyền tải từ bang Arizona đến bang California. Đó là một SVC 525 kV, -110/+440 MVAR, đặt tại trạm Devers của SCE.

HVDC mở ra hướng giải quyết

Dòng điện cao áp một chiều (HVDC) cũng có thể sử dụng để chống lại dòng điện quẩn bằng cách hướng dòng công suất chính xác đến nơi mà người bán nói là giao dịch điện năng sẽ đi tới. Mạch kết nối Neptune của Siemens ở Mỹ là một ví dụ của ý tưởng này. Mạch kết nối này là một hệ thống HVDC đi ngầm dưới biển dưới đất, dài 65 dặm (105 km), được đưa vào hoạt động vào cuối tháng 6/2007.