Hệ thống điện 24/7

[bkeps.com]Bạn có cảm giác như thể cuộc sống đang thay đổi một cách chóng mặt? Bạn có gặp khó khăn trong việc bắt kịp công nghệ? Liệu có những công nghệ tân tiến hơn đã được giới thiệu ngay cả khi các công nghệ tân tiến nhất còn chưa được lắp đặt? Đây là xu hướng khá phổ biến trong xã hội ngày nay. Ngay khi mới mua về, chiếc máy vi tính đã trở nên lỗi thời. Cuốn sách “The Singularity is Near” của Ray Kurzweil đưa ra một luận cứ khá thú vị về công nghệ, khiến ta phải suy nghĩ. Tiền đề của luận cứ này là “công nghệ do con người tạo ra đang tăng tốc và quyền lực của nó đang lan rộng theo hàm số mũ”. Kurzweil khẳng định rằng cứ theo đà này, cứ sau 10 năm lượng tri thức lại tăng gần gấp đôi.

Công nghệ lưới truyền tải điện thông minh của chúng ta đang phát triển tuân theo nguyên lý trên. Giai đoạn sáu bảy chục năm đầu là theo đường dốc thoải. Có những tiến bộ nhưng không nhanh đến mức mỗi cá nhân không thể bắt kịp chúng. Trong những năm 80 của thế kỷ trước, chúng ta đến bước ngoặt về phát triển công nghệ. Và giờ đây, công nghệ đang tiến tới với tốc độ chóng mặt.

Hiện tượng siêu dẫn

Công nghệ siêu dẫn nhiệt độ cao (high - temperature superconductivity - HTS) chắc hẳn tuân theo xu hướng tăng tốc này. Hiện tượng siêu dẫn được khám phá vào năm 1911 và công ty Southwire đã có vinh dự lần đầu tiên ứng dụng trong cáp công nghiệp vào năm 2000 sau khi lắp đặt ba cáp điện siêu dẫn dài 30 m (98 ft) tại nhà máy chế tạo của họ ở Carollton, bang Georgia.

Ngày nay, các dự án cáp HTS thế hệ đầu (1G) hiện đang được lắp đặt trên các lưới truyền tải của các công ty điện lực với số lượng ngày càng tăng, và giờ đây, cáp HTS thế hệ thứ hai (2G) đã được thí nghiệm thành công trong các phòng thí nghiệm. SuperPower Inc. (trụ sở tại Schenectady, bang New York) đã lắp đặt cáp HTS 34,5 kV, 800 A nối liền hai trạm biến áp của lưới điện quốc gia tại bang Albany và bang New York, hệ thống cáp này đã hoạt động hơn 7000 giờ, chỉ phải sự bảo dưỡng định kỳ và không gặp rắc rối nào. Nó đã chịu đựng được sự cố hệ thống xảy ra vào tháng 11 năm 2006 khi một máy cắt trong trạm biến áp gần đó bị phóng điện bề mặt.

Dự án này có bước chuyển hướng rất thú vị. Hãng sản xuất cáp Sumitomo Electric Inc. (Osaka, Nhật Bản) đã chế tạo cáp HTS thế hệ đầu làm hai đoạn, một đoạn dài 320 m (1050 ft) và một đoạn dài 30 m. Đoạn 30 m này sau đó được thay bằng cáp HTS thế hệ 2. Một hệ thống cáp HTS khác đã được lắp đặt tại trạm biến áp  Bixby thuộc công ty American Electric Power (AEP), tại thành phố Columbus, bang Ohio, dây dẫn là từ tập đoàn American Superconductor (AMSC; trụ sở tại Westborough, bang Massachusetts). Hệ thống cáp HTS dài 200 m (656 ft), điện áp 13,2 kV, dòng điện 3000 A này sử dụng cáp HTS Triax của Ultera (liên doanh giữa Southwire và NTK cables).

Theo Chuck Stankiewicz, phó tổng giám đốc điều hành của AMSC, Triax kết hợp cả ba pha trong một cáp. Ông nói: “Điều này làm giảm mạnh giá thành các hệ thống siêu dẫn cấp điện áp phân phối và đưa công nghệ này tiến gần hơn tới khả năng thương mại.”

Dự án HTS thứ ba đang được sử dụng trong hệ thống của Long Island Power Authority, được kết nối tại trạm biến áp Holbrook. Thông qua dự án do AMSC quản lý này, cáp HTS Nexans 138 kV sẽ tải 574 MVA.  Với chiều dài 600 m (1968 ft), nó sẽ trở thành cáp HTS dài nhất thế giới và sẽ là cáp đầu tiên được triển khai trong hệ thống HTS ở điện áp truyền tải. Việc khai thác hệ thống sẽ bắt đầu vào cuối năm 2007 hoặc đầu năm 2008.

Đến lúc cần giảm qui mô lưới điện

Ở Bắc Mỹ, mạng liên kết miền đông có công suất xấp xỉ 600.000 MW, còn mạng liên kết miền tây bằng khoảng 130.000 MW. Bất kỳ sự cố nào ở đầu bên này của mạng cũng ảnh hưởng lên đầu bên kia, thậm chí có thể gây ra sự cố mất điện ở diện rộng.

Từ nhiều năm nay, ông George Loehr, cựu giám đốc điều hành của Hội đồng Điều phối điện lực miền Đông Bắc (Northeast Power Coordinating Council) vẫn luôn nói rằng những mạng liên kết này quá lớn. Ông đề xuất giảm qui mô và tăng số lượng các lưới điện, như vậy chúng ta sẽ có những mạng liên kết dễ quản lý hơn. Ông Loehr gợi ý nên sử dụng các trạm biến đổi cao áp một chiều (HVDC) kiểu áp lưng (back-to-back) để chia tách các lưới điện, chi phí chuyển đổi ước tính từ 8 tới 10 tỉ USD. Nếu chú ý rằng cái giá phải trả cho sự cố mất điện năm 2003 lên tới gần 6 tỉ USD thì ý tưởng này hấp dẫn hơn, đặc biệt khi mà những tiến bộ về kỹ thuật bán dẫn công suất đang khiến cho các hệ thống HVDC và truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (flexible AC transmission system - FACTS) trở nên khả thi hơn.

ABB (trụ sở tại Zurich, Thuỵ Sĩ) đã giới thiệu phương án HVDC Light, nhờ đó truyền tải điện HVDC có thể thực hiện với giá chấp nhận được cho mức công suất thấp, cỡ 10 MW. ABB đang sử dụng công nghệ transitor lưỡng cực có cổng cách ly (insulated gate bipolar transistor - IGBT) có giá thành thấp hơn so với kiến trúc thyristor thông thường. Khi được sử dụng trong các bộ chuyển đổi nguồn điện áp, thiết kế này có thể cấu hình thành rất nhiều dạng thiết bị cải thiện chất lượng điện để khắc phục hàng loạt các vấn đề như chập chờn điện áp, sóng hài, hệ số công suất, sụt áp, mất điện. ABB công bố đã thành công đối với phương án này trong các dự án như: dự án cáp Cross Sound mà thực chất là mạch truyền tải dài 40 km, công suất 330 MW kết nối Connecticut và Long Island gần thành phố New York. Dự án Murray Link là mạch liên kết dài 180 km, công suất 200 MW  ở phía nam Australia. Trạm chuyển đổi Eagle Pass ở Piedras Negras (bang Texas) là hệ thống HVDC Light kiểu áp lưng. Đó là mạch kết nối không đồng bộ, công suất 36 MW, giữa Mexico và Mỹ.

VFT - Công nghệ thay thế

Song song với công nghệ HVDC dùng cho các kết nối truyền tải không đồng bộ còn có một công nghệ tiên tiến khác đang góp phần thúc đẩy công nghệ phát triển. GE Energy (trụ sở tại Atlanta, bang Georgia) đã phát triển loại máy biến áp tần số thay đổi (variable frequency transformer - VFT), mà về bản chất đó là máy biến áp cho phép dịch pha liên tục. VFT đầu tiên được lắp đặt tại trạm biến áp Langlois trong hệ thống điện Hydro-Quebec tại Canađa. Máy biến áp thứ hai được lắp đặt tại nhà máy điện Laredo trong hệ thống điện của AEP ở bang Texas. Cả hai máy biến áp này đều nhằm mục đích kết nối các hệ thống không đồng bộ.

Hiện nay, đội ngũ kỹ thuật của GE đã tìm ra một ứng dụng mới sử dụng công nghệ VFT để điều khiển dòng công suất giữa các hệ thống đồng bộ, trong đó VFT đóng vai trò bộ điều chỉnh liên tục góc pha. Ứng dụng đầu tiên của VFT với vai trò là bộ điều chỉnh góc pha sẽ được triển khai ở Đông Bắc Mỹ, ở đây VFT sẽ truyền tải 300 MW điện từ mạng liên kết PJM (Pennsylvania/Jersey/Maryland) tới lưới điện NYISO cung cấp điện cho thành phố New York. GE đang lắp đặt một VFT “ba khối” tại nhà máy phát điện và nhiệt kết hợp Linden (bang New Jersey) công suất 900 MW trên lưới điện PJM tới trạm biến áp Goethals thuộc Consolidation Edison Company of New York (Con Edison) ở Stalen Island, thành phố New York. Công trình đã được khởi công vào đầu năm 2007 và dự kiến hoàn thành vào năm 2009.

Bộ hấp thụ sốc trên lưới điện

Theo TS Stan Attcity, thành viên cao cấp của đội ngũ kỹ thuật Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia (SNL; trụ sở tại Albuquer, bang New Mexico), thì chúng ta đã vượt qua bước ngoặt về công nghệ với việc phát triển thyristor cực emitơ đóng (emitter turnoff - ETO). Được phát triển tại Trường đại học bang North Carolina, thyristor ETO được làm từ các thành phần không đắt, có thể mua dễ dàng từ nhiều nhà sản xuất, chính điều này làm giá của sản phẩm giảm xuống bởi thyristor không phải thuộc sở hữu của riêng một nhà sản xuất. Thyristor ETO tác động rất nhanh (5 kHz) và có thể điều khiển những dòng điện lớn (4 kA) và điện áp cao (6 kV), điều này khiến cho ETO trở nên lí tưởng để sử dụng trong các bộ điều khiển FACTS và các bộ chuyển đổi HVDC.

Viện nghiên cứu Điện lực Mỹ (EPRI; trụ sở tại Palo Alto, bang California) đang lãnh đạo một nhóm bao gồm SNL, Bộ năng lượng Hoa Kỳ (DOE), Hiệp hội phát và truyền tải điện ba bang (thành phố Westminster, bang Colorado), Điện lực Tennessee Valley (TVA; thành phố Knoxville, bang Tennessee) và Điện lực Bonneville (BPA; thành phố Portland, bang Oregon) nhằm phát triển máy bù đồng bộ tĩnh (static synchronous compensator -  STATCOM) dựa trên công nghệ ETO. ETO-STATCOM sẽ được lắp đặt tại trạm biến áp Condon Wind thuộc hệ thống điện của BPA.

TS Abdel-Aty Edris, quản lý công nghệ của EPRI Power Delivery và Markets, cho rằng xấp xỉ 50% giá thành của các bộ điều khiển FACTS dựa trên bộ chuyển đổi là thuộc phần điện tử công suất. Những dự án giống như ETO-STATCOM sẽ tạo ra hiệu ứng trên toàn bộ phổ của các thiết bị. Với những tiến bộ kỹ thuật đang triển khai hiện nay, Edris lưu ý rằng EPRI có một dự án mang tên “Bộ hấp thụ sốc trên lưới điện” (Grid Shock Absorber).

Với quan điểm rất gần với ông Loehr, EPRI đã cộng tác với Digital Control Inc. đề xuất chiến lược về một lưới điện phân đoạn được hình thành bởi các khu vực xoay chiều hoạt động không đồng bộ và được liên kết với nhau bởi các bộ hấp thụ sốc trên lưới điện (các công trình HVDC công nghệ mới). Do không đồng bộ nên các khu vực sẽ không bị sụp đổ điện áp bởi một sự cố ở khu vực liền kề. Điều này sẽ ngăn chặn được các sự cố lan truyền trong các mạng liên kết truyền tải điện lớn. Edris cho rằng sự cố mất điện năm 2003 đã không lan truyền sang mạng liên kết Hydro-Quebec do mạng này được liên kết qua đường dây truyền tải HVDC.

Khống chế dòng  sự cố

Các dòng sự cố ngày càng tăng cao và hiện nay đạt tới mức các công ty điện lực phải tính đến việc thay thế các thiết bị. Nhưng chi phí này có thể giảm bớt nếu thay vì đó, chúng ta lắp đặt bộ hạn chế dòng sự cố (fault current limiter - FCL), nhờ đó các công ty điện lực tránh được việc phải nâng cấp thiết bị. Đầu năm 2007, AMSC và Siemens (trụ sở tại Erlangen, Đức) đã chế tạo và trình diễn thành công một bộ FCL trung áp.

Để giúp phát triển công nghệ FCL, Bộ năng lượng Mỹ đang tài trợ cho 3 dự án:

· AMSC sẽ đứng đầu một nhóm - gồm Southern California Edison (SCE, trụ sở tại Rosemead, California), Siemens, Nexans (trụ sở tại Paris, Pháp), Trường đại học Houston và Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos của Bộ năng lượng (LANL, tại Los Alamos, bang New Mexico), với mục tiêu lắp đặt cuộn trở kháng thấp, 115 kV, ba pha SuperLimiter, sử dụng vật liệu siêu dẫn 2G HTS 344 của AMSC trên hệ thống truyền tải điện của công ty SCE.

· SuperPower sẽ đứng đầu một nhóm khác - gồm các thành viên của AEP, Sumitomo Electric, Nissin Electric Co. Ltd. (trụ sở tại Kyoto, Nhật Bản), BOC Group Inc. (trụ sở Munich, Đức) và Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge của Bộ năng lượng (tại Oak Ridge, bang Tennessee), với mục tiêu lắp đặt một bộ FCL 138 kV, áp dụng thiết kế matrix 2G HTS và sử dụng cáp Sumitomo trên lưới truyền tải của công ty AEP.

· SC power systems Inc. (trụ sở tại San Mateo, bang California) đang lãnh đạo một nhóm khác, bao gồm các thành viên của SCE, Con Edison, LANL, Air Products và Chemicals Inc. (trụ sở tại Allentown, bang Pennsylvania), Cryo-Industries of America Inc. (trụ sở tại Manchester, bang New Hampshire), Delta Star Inc. (trụ sở tại Lynchburg, bang Virginia) và Trithor GmbH (trụ sở tại Rheinback, Đức), với mục tiêu phát triển và lắp đặt bộ FCL loại cuộn kháng bão hòa 138 kV.

Dự án Hydra

Bên cạnh các dự án siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS) của Bộ năng lượng, Bộ An ninh quốc nội Mỹ cũng đã công bố dự án Hydra sẽ do bộ này trực tiếp chỉ đạo với sự hợp tác của Con Edition, AMSC và SouthWire. Dự án Hydra sẽ kết hợp khả năng truyền dẫn điện của cáp HTS với công nghệ cáp HTS hạn chế sự cố của AMSC. Theo thiết kế, trong cáp chứa một lớp ổn định điện trở cao. Ở điều kiện bình thường, dòng điện chạy trong lớp HTS, nhưng khi xảy ra sự cố thì lớp điện trở cao bắt đầu hoạt động giúp ngăn dòng sự cố. Khi sự cố qua đi thì HTS lại dẫn điện trở lại.

Theo ông Stankiewicz của AMSC thì ý tưởng là kết nối các trạm biến áp bằng loại cáp HTS đặc biệt này. Ông nói: “Giống như con quái vật trong truyền thuyết Hy Lạp có khả năng mọc lại những cái đầu đã bị chặt, nhiều đường cho dòng điện chạy sẽ được tạo ra trong lưới điện nhằm đảm bảo độ tin cậy của hệ thống nếu chẳng may một số mạch điện bị gián đoạn”. Dự án Hydra sẽ sử dụng hệ thống cáp Triax của công ty Southwire.

Gió và việc điều khiển công suất phản kháng

năng lượng gió thuộc số những nguồn điện phát triển nhanh nhất trên mạng truyền điện lớn, mang lại nhiều lợi ích cũng như các vấn đề rắc rối kèm theo. Theo dự báo của Hiệp hội năng lượng gió thì năm 2007 tổng công suất nguồn phong điện ở Mỹ sẽ đạt 14.603 MW. Nhưng nguồn điện đó lại kéo theo bao vấn đề về điều chỉnh điện áp, ổn định điện áp và tiêu thụ công suất phản kháng, chính là nơi lý tưởng cho các ứng dụng FACTS.

Công ty S&C Electric (Chicago, bang Illinois) đã phát triển bộ điều khiển FACTS, là nguồn dùng bù nhanh công suất phản kháng (xấp xỉ ¼ chu kỳ) được họ đặt tên là PureWave           D-STATCOM. Điện tử công suất sử dụng bộ nghịch lưu IGBT để tạo ra dòng phản kháng vượt trước hoặc chậm sau theo yêu cầu của công trình lắp đặt. S&C đã lắp đặt hai D-STATCOM công suất 6 MVAR ở trại gió Aragonne Mesa, gần Satan Rosa, bang New Mexico.

Theo ông Darren Du Vail, người quản lý vận hành của trại gió Aragone Mesa thì trại này phát 90 MW điện năng gió tại bang New Mexico để cấp cho hệ thống truyền tải điện của Arizona Public Service thông qua hệ thống truyền tải điện của Public Service Company (bang New Mexico). Ông Du Vail nói rằng các D-STATCOM được bố trí ở hệ thống thanh góp 34,5 kV của trại gió, được đấu nối với bốn dàn tụ điện/cuộn kháng được chuyển mạch bằng cơ khí (ba dàn 26 MVAR và một dàn 13 MVAR).

Gerry Keane, quản lý các dự án và quản lý sản phẩm của S&C, cho biết S&C đã phát triển loại phần mềm đặc biệt để dự đoán tình trạng VAR của hệ thống truyền của công ty điện lực dựa trên đầu ra của trại gió. Các  D-STATCOM tạo ra một đường cong VAR trơn tru với IGBT và các bộ tụ điện/cuộn kháng chuyển mạch cơ khí cho phép nó hoạt động trên phạm vi biến động rộng trong các điều kiện trên hệ thống điện của công ty điện lực. Ông Keane cho rằng đây là phương pháp rất hiệu quả về chi phí để hỗ trợ VAR trên phạm vi rộng, đáp ứng yêu cầu của trại gió 90 MW này. D-STATCOM hỗ trợ VAR, giúp trại gió trở thành người láng giềng tốt trên hệ thống truyền tải của công ty điện lực.

AMSC đã phát triển thiết bị FACTS, mang tên D-VAR, có khả năng bù động công suất phản kháng cho những nhu cầu vận hành trên phạm vi rộng, ví dụ như ở các trại gió. D-VAR sử dụng các mô đun công suất nghịch lưu IGBT nhằm hỗ trợ VAR vượt trước và chậm sau. Ông Stankiewicz cho biết AMSC đã bán các hệ thống hỗ trợ cho xấp xỉ 5,7 GW năng lượng gió trên thế giới (theo con số gần đây nhất là 33 trại gió). Và cũng theo ông Stankiewicz thì các khách hàng của AMSC đang sử dụng D-VAR để điều chỉnh điện áp và hệ số công suất, đồng thời hỗ trợ sau biến cố bất ngờ nhằm ngăn ngừa sụp đổ điện áp trên các lưới điện kết nối với các trại gió.

Công nghệ phát triển nhanh chóng

Công nghệ lưới điện thông minh cho đến nay vẫn khởi động một cách chậm chạp, tuy nhiên, như ông Kurzweil chỉ ra, không nên lầm tưởng về mức tăng trưởng của nó, bởi vì chúng ta có khuynh hướng chấp nhận những giới hạn về tầm nhìn của chúng ta. Khi tập trung chú ý vào công nghệ một cách tổng thể, thì nó làm chúng ta sửng sốt, nó có vẻ như là cái gì đó bùng nổ, choáng ngợp, và thực sự nó là như vậy. HTS, HVDC và FACTS chỉ là phần nổi của núi băng trôi, nhưng chúng xứng đáng đại diện cho những tiến bộ về công nghệ trong ngành điện. Chúng ta phải mất gần 100 năm kể từ khi khám phá ra tính chất siêu dẫn cho đến khi có những ứng dụng đầu tiên trong cáp điện, nhưng ngày nay có rất nhiều dự án sử dụng cáp, máy biến áp, động cơ và FCL siêu dẫn nhiệt độ cao. Năm 1936, GE đã sử dụng van hồ quang thủy ngân cho đường dây truyền tải điện một chiều 30 kV nối liền Mechanicville và Schenectady. Hiện nay, Siemens đang sử dụng các thyristor quang cho những dự án siêu cao áp điện một chiều 800 kV ở Trung Quốc. GTO và IGBT đang phải đối mặt với sự xuất hiện lần đầu của ETO. Các tiến bộ cứ thế tiếp diễn, nhịp độ ngày một tăng nhanh và tiếp sau đó là các giải pháp mới cho những vấn đề cũ khiến cho lưới điện ngày một thông minh hơn.


Theo KHCN Điện số 2/2008