Có vẻ như điều này trái ngược với trực giác của những nhà điều hành quen thuộc với các phương pháp quản lý lưới điện truyền thống, nhưng chìa khóa để ổn định những tác động bất ổn của việc tăng thêm năng lượng tái tạo trên lưới điện chính là tăng thêm năng lượng tái tạo.
Hệ thống pin mặt trời Eurus công suất 27,6 MW trên đảo Oahu.
Hình ảnh: NREL/Hawaiian Electric
Giữ cho lưới điện ổn định là ưu tiên số một đối với các nhà điều hành lưới điện và trong thế kỷ qua, nhiều công nghệ và chiến lược khác nhau đã xuất hiện và được triển khai để hỗ trợ quản lý tải, điều chỉnh tần số và khả năng khởi động đen, trong số những giải pháp khác. Hầu hết các giải pháp này được thiết kế để hoạt động với lưới điện có đặc điểm là quán tính cao do máy phát điện quay cung cấp. Tuy nhiên, khi số lượng các nguồn điện PV mặt trời và các nguồn điện phát điện dựa trên biến tần khác tăng lên trên lưới điện, chúng thường thay thế máy phát điện quay, nguồn quán tính cao, khiến các nhà điều hành lưới điện có hệ thống nhỏ và biệt lập phải quản lý lưới điện có quán tính thấp bằng các công cụ được thiết kế cho lưới điện có quán tính cao. Điều này không hiệu quả.
Một vấn đề lớn đối với các hệ thống đảo có quán tính thấp là tốc độ thay đổi tần số (RoCoF) nhanh hơn trên lưới quán tính thấp so với lưới quán tính cao. Điều này có nghĩa là tốc độ phản hồi để hiệu chỉnh độ lệch tần số phải xảy ra trong vòng mili giây trên lưới quán tính thấp, trong khi lưới quán tính cao có thể dựa vào quán tính đó để thực hiện trong khoảng thời gian năm đến mười giây đầu tiên trước khi cần cân bằng lại. Các phương pháp điều chỉnh tần số truyền thống như máy phát điện và phản hồi cắt tải đơn giản là không đủ nhanh đối với lưới quán tính thấp.
Các đường nét liền trên đồ thị này mô tả tần số giảm trên các hệ thống quán tính thấp, trung bình và cao. Như được chứng minh bằng sự giảm mạnh của đường màu vàng (quán tính thấp), tần số giảm nhanh hơn nhiều trên hệ thống quán tính thấp so với hệ thống quán tính cao (đường màu đỏ).
Để giải quyết vấn đề này, các nhà điều hành lưới điện có quán tính thấp chuyển sang các giải pháp truyền thống, chẳng hạn như tăng số lượng máy phát điện quay nhiên liệu hóa thạch để bù đắp cho sự sụt giảm quán tính của hệ thống. Sau đó, vì họ cần phải duy trì hoạt động của máy phát điện bổ sung để sẵn sàng ứng phó với sự kiện như vậy và máy phát điện này đang sản xuất điện, nên các nhà điều hành phải cắt giảm năng lượng tái tạo do các nguồn năng lượng dựa trên biến tần của họ tạo ra vì hiện tại họ có nguồn cung cấp điện dư thừa. Ngoài việc lãng phí năng lượng tái tạo được tạo ra, cách tiếp cận này còn tạo ra một vòng luẩn quẩn làm tăng thêm sự dư thừa không cần thiết, chi phí và đi ngược lại các sáng kiến về môi trường và tính bền vững.
Giải quyết tình trạng thiếu hụt quán tính
Có vẻ như điều này trái ngược với trực giác đối với các nhà điều hành quen thuộc với các phương pháp quản lý lưới điện truyền thống, nhưng chìa khóa để ổn định các tác động gây mất ổn định của nhiều năng lượng tái tạo hơn trên lưới điện là—nhiều năng lượng tái tạo hơn. Và chìa khóa để quản lý nhiều năng lượng tái tạo hơn là—phần mềm dưới dạng bộ điều khiển chính xác, tốc độ cao. Năng lượng tái tạo có thể bù đắp cho quán tính bị mất bằng cách cung cấp quán tính tổng hợp dưới dạng phản hồi tần số nhanh hoặc nhanh, và bộ điều khiển là bộ não đằng sau việc phát hiện nhiễu loạn lưới điện và đảm bảo các nguồn tài nguyên dựa trên biến tần được phân bổ trong vòng mili giây để cân bằng lại bất kỳ độ lệch nào.
Một phần quan trọng của phương pháp này là tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS). BESS hoạt động như một bộ giảm xóc có khả năng hấp thụ hoặc giải phóng năng lượng từ/vào lưới điện để bù đắp cho những thay đổi về sản lượng, tải hoặc tần số. Khi BESS được ghép nối với bộ điều khiển tốc độ cao tinh vi, BESS có thể được yêu cầu thực hiện các chức năng quản lý lưới điện bổ sung, tăng lợi tức đầu tư của chính nó. Các chức năng BESS bổ sung này bao gồm:
- Chuyển đổi năng lượng: Hấp thụ năng lượng mặt trời PV dư thừa trong thời gian sản xuất cao và phân phối trong thời gian sản xuất thấp. Điều này làm giảm nhu cầu cắt giảm, thu được năng lượng được tạo ra nếu không sẽ bị mất và tăng khả năng ứng phó với các đợt tăng đột biến nhu cầu.
- Kiểm soát ram: Sản xuất PV mặt trời không liên tục và có thể thay đổi rất nhiều trong các sự kiện thời tiết khi mây che phủ có thể gây ra các đỉnh và thung lũng nhanh chóng trong sản lượng điện. BESS có thể hấp thụ các đỉnh đó và đẩy lên các thung lũng để làm phẳng và ổn định sản lượng điện.
- Điều chỉnh tần số: Việc cung cấp phản hồi tần số nhanh để giải quyết vấn đề RoCoF dốc trên lưới điện quán tính thấp trở nên dễ dàng vì công suất BESS có thể được phân bổ ngay lập tức để giải quyết độ lệch tần số.
Cần có bộ điều khiển đa cấp, tốc độ cao để quản lý tất cả các trường hợp sử dụng này trong một pin duy nhất. Bộ điều khiển cần có khả năng tạo kế hoạch trước, tính đến các yêu cầu tải lưới dự kiến và có thể điều chỉnh kế hoạch đó để ứng phó với các sự kiện hiện tại. Nếu không có khả năng xử lý song song có thể học, lập kế hoạch, phân loại và chỉ huy, BESS có thể đầy khi cần hấp thụ và cạn kiệt khi cần điều phối. Tất nhiên, có thể có các đơn vị BESS chuyên dụng cho từng trường hợp sử dụng nhưng xét đến lượng thời gian chết mà BESS đang ở chế độ chờ giữa các trường hợp sử dụng, thì việc đóng gói tất cả các trường hợp sử dụng thành một sẽ hợp lý hơn. Điều này giúp tiết kiệm chi phí vốn và hữu ích trong những trường hợp có thể có những hạn chế về mặt vật lý khiến không thể lắp đặt nhiều đơn vị BESS.
Cho đến nay, chúng tôi đã tiết lộ rằng 'bí quyết' để duy trì sự ổn định của lưới điện có khả năng tái tạo cao là tích hợp bộ điều khiển BESS + đa cấp, tốc độ cao vào lưới điện. Nhưng còn bộ biến tần thì sao, chúng có tác dụng gì?
Bộ điều khiển đa cấp, tốc độ cao là gì?
Bộ điều khiển lưới điện siêu nhỏ có đủ mọi hình dạng và kích cỡ nhưng độ phức tạp tăng dần khi số lượng tài nguyên được quản lý tăng lên. Bộ điều khiển quản lý một máy phát điện duy nhất không quá phức tạp và có thể được coi là bộ điều khiển một cấp. Khi lưu trữ năng lượng, năng lượng tái tạo và các đơn vị phát điện truyền thống được đưa vào hỗn hợp, cấu hình của lưới điện siêu nhỏ đòi hỏi một bộ điều khiển đa cấp. Việc thêm quản lý tải, dự báo và điều độ để mang lại lợi ích kinh tế làm tăng mức độ phức tạp hơn nữa, cũng như việc xếp lớp nhiều bộ điều khiển trong cấu hình chính và phụ. Mỗi tài nguyên phát điện bổ sung và cấu hình điều khiển được coi là một cấp, do đó đòi hỏi một bộ điều khiển đa cấp.
Liệu biến tần hình thành lưới điện có giúp ích không?
Khi nói đến các công cụ được tạo ra cho lưới điện thế kỷ 21, các bộ biến tần tạo lưới cho thấy nhiều hứa hẹn. Không giống như các bộ biến tần theo lưới, các bộ biến tần tạo lưới không yêu cầu một lưới điện hoạt động đầy đủ để "theo" để xác định các điểm đặt của riêng chúng. Điều này làm cho chúng trở nên tuyệt vời để quản lý các nguồn tài nguyên dựa trên bộ biến tần trên các lưới điện có quán tính thấp.
Khi kết hợp với các nguồn năng lượng tái tạo như PV mặt trời hoặc BESS, các bộ biến tần tạo lưới có thể hỗ trợ các dịch vụ hỗ trợ lưới như khởi động đen và quản lý tần số. Tuy nhiên, có một số dịch vụ mà chúng không thể hỗ trợ và tệ hơn, khi nhiều bộ biến tần tạo lưới được cấu hình trên một lưới, chúng có thể cạnh tranh với nhau để cố gắng ổn định lại lưới sau khi bị nhiễu, dẫn đến mất ổn định hơn. Vì vậy, chúng không thể cung cấp giải pháp toàn diện cho các vấn đề về lưới có quán tính thấp.
Những gì các bộ biến tần cần là một cái gì đó chịu trách nhiệm cho tất cả chúng. Đó là nơi bộ điều khiển đa cấp lại xuất hiện. Một bộ điều khiển đa cấp, tốc độ cao thiết lập và thực thi một hệ thống phân cấp kiểm soát trên tất cả các nguồn năng lượng của lưới điện, trao quyền cho từng nguồn lực đóng góp khi cần thiết, theo chỉ đạo của bộ điều khiển. Nó có thể hoạt động với cả bộ biến tần tạo lưới và theo lưới và tích hợp với các nguồn lực hiện có của lưới điện. Thêm vào đó, nếu nó nhận biết được cả mạng lưới và thiết bị, bộ điều khiển sẽ đảm bảo các hoạt động vẫn nằm trong giới hạn của hệ thống.
Với khả năng hiển thị toàn bộ lưới điện và các nguồn lực của nó, bộ điều khiển đa cấp có thể áp dụng phương pháp tiếp cận toàn diện và đưa ra quyết định theo thời gian thực, tính đến các hạn chế của lưới điện và các ưu tiên của người vận hành. Điều đó dẫn đến ít sự cố mất điện hơn và khôi phục nhanh hơn khi xảy ra sự cố mất điện không thể tránh khỏi.
Các đảo muốn giảm sự phụ thuộc vào việc sản xuất điện bằng nhiên liệu hóa thạch cần phải từ bỏ các phương pháp quản lý lưới điện truyền thống và áp dụng các công cụ của lưới điện thế kỷ 21. Điện mặt trời, điện gió, bộ biến tần tốc độ cao và BESS đều là một phần của hỗn hợp công nghệ mới và khi kết hợp với bộ điều khiển tốc độ cao, nhiều cấp, đã được chứng minh trong môi trường đảo thực tế.
Tim Allen, Tổng giám đốc điều hành của PXiSE Energy Solutions, có hơn 22 năm kinh nghiệm trong các dự án lưu trữ năng lượng mặt trời, gió và năng lượng quy mô tiện ích, kiểm soát phần mềm, tiện ích do nhà đầu tư sở hữu, nhà sản xuất điện độc lập và lĩnh vực phát triển thuần túy. Bộ kỹ năng độc đáo của ông, bắt đầu với bằng Kỹ sư Điện từ CalPoly, mang đến những góc nhìn và mối quan hệ dày dạn kinh nghiệm giúp ông định vị để dẫn dắt PXiSE tiến vào tương lai.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
