Điều gì giúp dòng điện xoay chiều đồng bộ khi các máy phát điện lớn ngừng hoạt động?
của Fabio Bergamin, ETH Zurich
Các trạm biến đổi cũng được sử dụng để kết nối hai lưới điện xoay chiều với nhau. Các trạm phục vụ mục đích này có kích thước bằng nhà thờ lớn và có hệ thống làm mát lớn. Nguồn: Hitachi Energy
Trong tương lai, châu Âu sẽ chủ yếu sử dụng năng lượng tái tạo. Việc mở rộng công suất điện gió và điện mặt trời và cung cấp đủ điện vào mùa đông chỉ là hai trong số những thách thức mà điều này đặt ra.
Phần lớn công chúng không biết về những thay đổi cơ bản đi kèm trong lưới điện: trong khi các máy phát điện của các nhà máy điện quy mô lớn truyền thống—tức là các nhà máy thủy điện, nhiệt điện than và điện hạt nhân—trước đây giữ cho lưới điện ổn định bằng các cơ chế đơn giản và chậm chạp của chúng, thì giờ đây cần có các bộ biến đổi được điều khiển điện tử.
Việc bảo vệ các bộ biến đổi này khỏi các sự cố lưới điện như sụt áp và đoản mạch không phải là một nhiệm vụ dễ dàng. Giờ đây, nhóm do Florian Dörfler, Giáo sư về Kiểm soát Hệ thống Phức hợp tại ETH Zurich, đứng đầu đã đưa ra một giải pháp.
Trước hết, điều quan trọng là phải biết rằng điện chạy qua lưới điện của Châu Âu dựa trên công nghệ dòng điện xoay chiều, nghĩa là hướng của dòng điện đảo ngược sau mỗi phần trăm giây. Tần số này được thiết lập bởi các máy phát điện trong các nhà máy điện lớn, được đồng bộ hóa với nhau thông qua lưới điện.
Mặt khác, các nhà máy điện gió và mặt trời tạo ra dòng điện một chiều, phải được chuyển đổi thành dòng điện xoay chiều bằng bộ chuyển đổi. Các bộ chuyển đổi ngày nay thích ứng với tần số lưới điện và truyền điện đồng bộ với tần số đó.
Cách tiếp cận này hiệu quả miễn là có đủ các nhà máy điện lớn có tua bin hoạt động trong lưới điện. Tuy nhiên, nếu ngày càng nhiều nhà máy điện hạt nhân và chạy bằng than ngừng hoạt động trong tương lai, các máy phát điện định thời này sẽ bị mất và cần phải thay thế.
Cơ chế bảo vệ triệt để
Trong tương lai, sẽ cần đến các bộ chuyển đổi hình thành lưới điện, tức là các bộ chuyển đổi không chỉ đơn thuần tuân theo tần số như hiện nay mà còn tích cực giúp ổn định tần số. Cho đến nay, các kỹ sư vẫn chưa có giải pháp khả thi nào về cách các bộ chuyển đổi hình thành lưới điện này có thể tiếp tục hoạt động trong trường hợp xảy ra đoản mạch hoặc sụt áp trong lưới điện trong khi vẫn được bảo vệ chống quá tải.
Các bộ chuyển đổi ngày nay có cơ chế bảo vệ đảm bảo rằng chúng sẽ ngắt kết nối khỏi lưới điện trong trường hợp lưới điện trục trặc. Việc bảo vệ này là cần thiết vì nếu lưới điện bị sụt áp lớn, bộ chuyển đổi sẽ cố gắng bù điện áp bị mất bằng cách đưa vào một dòng điện lớn. Điều này sẽ làm quá tải bộ chuyển đổi và làm hỏng nó không thể sửa chữa được trong khoảng thời gian tính bằng mili giây.
Với các thuật toán mới để điều khiển thông minh, nhóm của Dörfler hiện đã thành công trong việc tiếp tục vận hành các bộ chuyển đổi hình thành lưới điện ngay cả khi lưới điện trục trặc. Không còn cần phải ngừng hoạt động nghiêm ngặt nữa. Phương pháp này cho phép nhà máy điện gió hoặc năng lượng mặt trời vẫn trực tuyến, tiếp tục cung cấp điện và do đó góp phần ổn định tần số lưới điện ngay cả khi lưới điện trục trặc. Theo đó, hệ thống có thể đảm nhiệm vai trò hiện do các máy phát điện quy mô lớn truyền thống đảm nhiệm.
Bộ điều khiển của bộ chuyển đổi liên tục đo các thông số lưới và điều chỉnh bộ chuyển đổi theo thời gian thực thông qua vòng phản hồi. ETH Zurich đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho các thuật toán mới.
Luận văn thạc sĩ trong ngành
Ý tưởng ban đầu xuất phát từ một trong những sinh viên thạc sĩ của Dörfler, hiện đang làm tiến sĩ tại ETH: Maitraya Desai nhận ra rằng, trong trường hợp lưới điện trục trặc, cách tốt nhất là xử lý riêng điện áp lưới và tần số của dòng điện xoay chiều. Vì khó duy trì điện áp trong trường hợp lưới điện trục trặc, nên thuật toán điều khiển mới tập trung vào tần số và cố gắng giữ cho điện áp ổn định trong lưới điện trong mọi trường hợp. Đồng thời, thuật toán giới hạn dòng điện để tránh quá tải bộ chuyển đổi—trong khi vẫn cho phép điện áp thay đổi tự do.
Sau khi thực hiện các phép tính đầu tiên, các nhà nghiên cứu ETH đã kiểm tra các phép tính này trong các mô phỏng máy tính và cuối cùng là trong một hệ thống thử nghiệm nhỏ trong phòng thí nghiệm. Vì những cải tiến chỉ liên quan đến phần mềm nên ngành công nghiệp không cần phải xây dựng các hệ thống trình diễn. Thay vào đó, họ có thể kết hợp các thuật toán trực tiếp vào phần mềm điều khiển của mình.
Dörfler đang có kế hoạch hợp tác chặt chẽ với các đối tác quan tâm trong ngành vì mục đích này. Ví dụ, mục tiêu là để sinh viên ETH làm luận văn thạc sĩ tại các công ty công nghiệp, qua đó giúp triển khai phương pháp tiếp cận mới trong các sản phẩm của các đối tác công nghiệp.
"Chúng tôi và những người khác đã nghiên cứu lĩnh vực này trong 15 năm", Dörfler cho biết. "Phương pháp tiếp cận của chúng tôi hiện là cách tốt nhất để giải quyết vấn đề".
Các thuật toán mới góp phần vào sự ổn định của lưới điện, giảm nguy cơ thiếu hụt và mở đường cho quá trình chuyển đổi từ các nhà máy điện lớn, tập trung sang hệ thống phân cấp, linh hoạt của các nhà máy điện nhỏ hơn cung cấp năng lượng tái tạo. Theo đó, chúng có thể đại diện cho một khối xây dựng quan trọng trong quá trình chuyển đổi năng lượng.
