Xu hướng lưới điện thông minh, tiềm năng ứng dụng trong Hệ thống điện Việt Nam

Bài viết liên quan

1. Những thách thức tích hợp VRE
Các công nghệ Lưới điện thông minh được coi là một yếu tố quyết định chính để tăng hiệu quả trong hệ thống điện và tạo điều kiện hấp thụ năng lượng tái tạo biến đổi (VRE - Variable Renewable Energy) vào hệ thống điện. Tính chất biến động và quy mô nhà máy phát điện NLTT nhỏ hơn so với các nhà máy phát điện truyền thống quy mô lớn đặt ra nhiều thách thức đối với việc lập quy hoạch và vận hành lưới điện trong tương lai. Phần này trình bày những thách thức lớn mà một số công nghệ Lưới thông minh đang đặt mục tiêu giải quyết.

Những thách thức liên quan đến tích hợp năng lượng tái tạo biến đổi (VRE) tương quan với tỷ trọng năng lượng tái tạo (NLTT) mục tiêu và do đó thay đổi trong quá trình chuyển đổi sang tỷ trọng phát điện NLTT ngày một cao hơn. Mặc dù có thể phát sinh một số vấn đề ngay từ khi bắt đầu triển khai VRE với tác động cục bộ hạn chế, nhưng sau đó có thể phát sinh những thách thức khác khi mà NLTT chiếm tỷ trọng rất cao trong cơ cấu phát điện.

Quá trình chuyển đổi dần dần này đã được Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA - International Energy Agency) chia thành bốn giai đoạn tích hợp VRE tương ứng [1]. Xuyên suốt bốn giai đoạn này, việc triển khai VRE chuyển từ không đáng chú ý (giai đoạn 1) sang đáng chú ý nhưng dễ dàng điều chỉnh (giai đoạn 2), sau đó sang tác động đáng kể đến hoạt động của hệ thống điện và nhu cầu vận hành linh hoạt hơn (giai đoạn 3) và đến giai đoạn cuối, theo đó sự ổn định hệ thống cũng trở thành một vấn đề lớn (giai đoạn 4).

Khi bắt đầu hấp thụ VRE có thể phát sinh các vấn đề cục bộ đặc biệt do các nhà máy VRE thường được lắp đặt với số lượng lớn đến một số địa điểm tập trung, do đó làm quá tải hạ tầng hệ thống điện khu vực và có khả năng gây ra sự cố điện áp. Những vấn đề như vậy có thể được giải quyết cục bộ bằng cách thực hiện nâng cấp lưới điện để kết nối chính xác các nhà máy điện VRE dự kiến.

Gần đây khi VRE chiếm tỷ trọng đáng kể trong hoạt động của hệ thống, cần thiết lập các hệ thống
dự báo để ước tính chính xác lượng năng lượng mặt trời và năng lượng gió dự kiến trong vài giờ và ngày tới. Về điểm này, các quy trình điều độ sẽ phải được cập nhật để phù hợp với những thay
đổi về sản lượng điện VRE. Hơn nữa, các tính toán dự trữ nên được tối ưu hóa có xét đến tác động của VRE đối với sự mất cân bằng giữa công suất phát và nhu cầu điện, phản ánh các sự cố tiềm ẩn như sự sụt giảm nhanh chóng sản lượng điện mặt trời hoặc điện gió trong các cơn bão lớn.

Ở giai đoạn 3, khi tính linh hoạt của hệ thống trở thành một yếu tố quyết định chính, nên vận hành
các máy phát truyền thống theo hướng tăng cường tính linh hoạt hoạt động. Điều quan trọng hơn nữa
là bao gồm các bộ phận chính của nhà máy phát điện VRE hiện tại vào trong các quy trình điều độ và có khả năng theo dõi và kiểm soát các nhà máy VRE từ hệ thống và trung tâm điều khiển hiện có.

Một ứng dụng minh họa cho điều này là sự cần thiết của việc giảm sản xuất VRE trong các tình huống khẩn cấp. Vì lý do kinh tế, nên tối ưu hóa các quy trình vận hành càng nhiều càng tốt để việc áp dụng các biện pháp cắt giảm công suất phát như vậy như là phương sách cuối cùng. Quy định về lưới điện truyền tải cần xác định các yêu cầu kỹ thuật đòi hỏi khả năng kiểm soát phù hợp tại các nhà máy VRE.

Trong giai đoạn cuối, tỷ trọng VRE sẽ đạt đến mức phát sinh các vấn đề về tính ổn định ở cấp độ hệ thống, vì chỉ còn rất ít nhà máy phát điện truyền thống đang hoạt động và do đó phải có sự kết hợp giữa kiểm soát VRE và các khả năng kiểm soát mới (ví dụ: kiểm soát phụ tải, lưu trữ quy mô lớn) để đảm bảo an ninh nguồn cung. Chỉ có một vài quốc gia đạt được mức này, bao gồm Đan Mạch và Ireland. Ở Ireland, năng lượng gió cung cấp tới 60% nguồn cung cấp điện vào một số thời điểm nhất định, điều này rất đáng chú ý vì hệ thống điện trên đảo của Ireland được kết nối yếu với hệ thống điện còn lại của châu Âu.

Như đã thảo luận ở trên, cấu hình và hoạt động của hệ thống điện cần được thay đổi và từng bước tăng cường trong suốt các giai đoạn triển khai VRE. Các biện pháp cần thiết chính được liệt kê trong một báo cáo IEA khác và được mô tả trong Bảng 1.

Mục đích của báo cáo hiện tại là làm nổi bật và trình bày các công nghệ Lưới điện thông minh đi kèm với việc thực hiện thành công các giải pháp này và thảo luận về khả năng ứng dụng trong bối cảnh hệ thống điện của Việt Nam.

Tại Việt Nam, việc triển khai VRE vẫn đang ở giai đoạn đầu. Tuy nhiên, trong những tháng gần đây, một số lượng đáng kể các nhà máy VRE đã được lắp đặt, ví dụ: với công suất điện mặt trời được báo cáo là 4 GW vào tháng 6/2019. Nhiều dự án đã được đăng ký và phê duyệt, bổ sung gigawatt công suất phát điện, thậm chí hàng chục gigawatt có khả năng được lắp đặt trong vài năm tới. Do đó, Việt Nam có thể nhanh chóng vượt qua giai đoạn 1 và 2 của việc triển khai VRE sang giai đoạn 3, khi mà VRE có tác động đáng kể và nhà máy điện VRE mới cũng như các nhà máy điện hiện tại cần có khả năng thích ứng với thiết lập hệ thống mới và kết hợp các quy trình vận hành mới. Đồng thời, phải tăng cường các trung tâm điều phối và SCADA thông qua tăng cường khả năng theo dõi và kiểm soát.

Do đó, cần chú trọng thử nghiệm và áp dụng các công nghệ Lưới thông minh phù hợp hiện nay để
các công ty truyền tải và phân phối tại Việt Nam được chuẩn bị tốt cho ba giai đoạn đầu tiên triển khai VRE. Các công nghệ như vậy được mô tả trong phần 2 và sẽ được đánh giá sau đó dựa trên tầm quan trọng của chúng đối với việc triển khai VRE và hiệu quả tương ứng của từng công nghệ.

2. Phân loại công nghệ Lưới điện thông minh quốc tế để triển khai VRE tốt hơn
Các tiểu mục sau đây cung cấp thông tin và hiểu biết về các công nghệ Lưới điện thông minh khác nhau hiện đang được phát triển và áp dụng trên toàn thế giới nhằm thúc đẩy tích hợp VRE và được hệ thống điện Việt Nam đặc biệt quan tâm. Đối với mỗi công nghệ tương ứng, các nguyên lý hoạt động, ưu điểm và nhược điểm cũng như kinh nghiệm quốc tế được lựa chọn được trình bày cụ thể.

Danh sách các công nghệ Lưới điện thông minh dựa trên các báo cáo khác nhau được tổng hợp bởi các tổ chức nổi tiếng quốc tế như Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA - International Energy Agency), Cơ quan Năng lượng tái tạo Quốc tế (IRENA - International Renewable Energy Agency), Nhóm Ngân hàng Thế giới (WBG - World Bank Group), Liên Hợp Quốc (UN or LHQ - United Nations), Trung tâm nghiên cứu chung châu Âu (JRC - European Commission Joint Research Centre) và dựa vào nghiên cứu chuyên sâu của các nhóm nghiên cứu trong nước và quốc tế, báo cáo ngành và bài báo đại học (quan trọng nhất là [3] - [8]).

Đây không phải là danh sách đầy đủ các công nghệ Lưới điện thông minh mà là danh sách thể hiện quan điểm của các tác giả về những công nghệ phù hợp nhất với cấu trúc hệ thống điện hiện tại và mức độ phát triển VRE tại Việt Nam.

Các công nghệ Lưới thông minh trình bày dưới đây đã được phân loại theo lĩnh vực ngành năng lượng ứng dụng dựa theo Mô hình Kiến trúc Lưới điện Thông minh (SGAM - Smart Grid Architecture Model). Sự phân loại này được mô tả trong Hình 1.

Thứ tự các tiểu mục trình bày trong hình, bắt đầu bằng các công nghệ được áp dụng chủ yếu trong lưới truyền tải, tiếp theo là các công nghệ chủ yếu tăng cường vận hành lưới phân phối và kết thúc là các công nghệ được áp dụng ở cấp độ khách hàng. Mỗi mô tả công nghệ được bổ sung thông tin về lợi ích và thách thức cho ứng dụng và kinh nghiệm quốc tế.

Mỗi phần trình bày được khép lại bằng một đánh giá về công nghệ thu được thông qua đánh giá của chuyên gia nội bộ. Sáu chuyên gia đã đánh giá riêng các công nghệ khác nhau về tầm quan trọng của chúng trên các lĩnh vực tác động sau: Tích hợp NLTT vào lưới điện, an ninh cung cấp, giảm nhu cầu gia cố lưới điện, sản xuất năng lượng phi tập trung, linh hoạt phụ tải, lưu trữ năng lượng, giao thông điện, yêu cầu bảo mật CNTT và bảo vệ dữ liệu, yêu cầu kiến trúc CNTT & truyền thông và hiệu quả năng lượng. Các kết quả đánh giá được mô tả như sơ đồ radar.