- Truyền tải HVDC: Một siêu xa lộ điện đến Kỷ nguyên mới của Năng lượng tái tạo
- Công nghệ Bộ chuyển đổi Điện áp (VSC) trong Hệ thống Truyền tải HVDC
- Những tiến bộ trong cơ sở hạ tầng Ultra HVDC (UHVDC) Ưu việt cho việc truyền tải năng lượng tái tạo
Nhu cầu về một hệ thống truyền tải điện linh hoạt và hiệu quả đã luôn được cảm thấy trong các nền kinh tế công nghiệp hóa ngày nay. Có một số lựa chọn dành cho các nhà hoạch định chính sách và các tổ chức thương mại, với hệ thống truyền tải điện một chiều (HVDC) điện áp cao đang nổi lên như một cơ chế quản lý năng lượng khả thi.
Sự phát triển của công nghệ HVDC báo trước một sự thay đổi lớn trong cách thức truyền tải điện qua một khoảng cách xa, vì nó mang lại nhiều lợi ích hơn các hệ thống truyền tải điện xoay chiều (AC). Hệ thống truyền dẫn HVDC mang lại lợi thế về lượng khí thải thấp hơn và tiết kiệm chi phí, khi được triển khai trên cao cho khoảng cách xa và ngầm hoặc dưới nước trong khoảng cách ngắn.
Bằng cách cung cấp hiệu suất thoáng qua tối đa và tổn thất điện năng thấp hơn, bất kể khoảng cách mà điện di chuyển, hệ thống truyền tải HVDC đang tạo ra một tiềm năng đáng kể để truyền tải điện năng trên những khoảng cách xa, chẳng hạn như đảo và thậm chí là lục địa. Những tiến bộ trong công nghệ HVDC đang mở đường cho hệ thống điện tái tạo, cho thấy triển vọng tích cực trong tương lai của thị trường hệ thống truyền tải HVDC, vốn được định giá gần 7,4 tỷ USD vào năm 2018.
Truyền tải HVDC: Một siêu xa lộ điện đến Kỷ nguyên mới của Năng lượng tái tạo
Hệ thống truyền tải HVDC đang nổi lên như là nền tảng mà hệ thống năng lượng mới dựa trên các nguồn tái tạo đang được phát triển và triển khai. Các hệ thống năng lượng tái tạo, chẳng hạn như các dự án năng lượng mặt trời và điện gió, thường có tính biến động cao và nằm ở các vùng sâu vùng xa. Công nghệ HVDC không ngừng phát triển đang đạt được vị thế trong nền kinh tế năng lượng mới với đường truyền HVDC đường dài có thể vận chuyển điện năng với hiệu suất tối đa và tổn thất điện năng tối thiểu.
Các đường dây HVDC đang trở thành “siêu xa lộ điện”, thúc đẩy tương lai của các hệ thống phát điện tái tạo theo ba cách - kết nối các nhà máy điện hiện tại, phát triển các trạm điện mặt trời mới và tích hợp các dự án năng lượng gió ngoài khơi. Các chất bán dẫn điện, cáp cao áp và bộ chuyển đổi là một trong những thành phần quan trọng của công nghệ HVDC, mang lại các tính năng khác biệt cho hệ thống truyền tải điện một chiều (DC) hiện đại.
Nhu cầu xây dựng các trạm phát điện mới có thể được hoãn lại khi triển khai hệ thống truyền dẫn HVDC, vì nó kết nối các hệ thống điện khác nhau để hoạt động hiệu quả hơn. Hệ thống điện mới có thể đạt được lợi ích kinh tế và môi trường lớn hơn từ các nguồn thủy điện lớn, thay thế các hệ thống phát nhiệt trong các hệ thống điện truyền thống thông qua các đường truyền HVDC.
Truyền tải điện HVDC đã trở thành siêu xa lộ điện để tích hợp quy mô lớn các nguồn năng lượng tái tạo để cung cấp các lưới điện được kết nối với nhau, đủ tin cậy và linh hoạt để giải quyết các thách thức của nền kinh tế năng lượng tái tạo mới. Lưới truyền tải HVDC cho phép cân bằng tải giữa các siêu xa lộ điện HVDC và chia sẻ các đường dây và trạm chuyển đổi trong các dự án năng lượng mặt trời và các trạm phong điện ngoài khơi. Do đó, việc triển khai các hệ thống truyền dẫn HVDC được coi là một cách hiệu quả về mặt kinh tế để cung cấp khả năng dự phòng và độ tin cậy trong các mạng lưới điện đó.
Ngoài ra, hệ thống truyền dẫn HVDC cũng đưa ra các giải pháp khả thi cho những thách thức về quyền ưu tiên hiện có. Một hệ thống truyền dẫn HVDC được triển khai trên không có thể chứng minh là đáng tin cậy hơn so với đường truyền AC mạch kép. Cơ sở hạ tầng HVDC có thể cải thiện hiệu suất điện tạm thời bằng cách sử dụng cáp HVDC cách điện trong các ứng dụng ngầm và dưới biển, điều này có thể đẩy nhanh quá trình cấp phép quyền ưu tiên. Hơn nữa, hệ thống truyền tải HVDC cũng có thể được lắp đặt liền kề hoặc trên các đường dây AC hiện có, giảm nhu cầu sử dụng đất đúng tuyến.
Công nghệ Bộ chuyển đổi Điện áp (VSC) trong Hệ thống Truyền tải HVDC
Hệ thống truyền dẫn HVDC sử dụng bộ chuyển đổi nguồn dòng, chuyển đổi đường dây (LCC), yêu cầu công suất phản kháng từ tụ điện nối tiếp, dải tần hoặc bộ lọc để hoạt động. Tuy nhiên, hệ thống truyền tải HVDC thông thường không cung cấp hỗ trợ điện áp động cho mạng AC và kiểm soát điện áp hệ thống trong phạm vi chấp nhận được, trong dung sai mong muốn. Do đó, bộ chuyển đổi cung cấp điện áp được sử dụng trong các hệ thống truyền tải HVDC thông thường, không chỉ để cung cấp điều chỉnh điện áp động cho mạng xoay chiều mà còn để điều khiển dòng điện trong hệ thống.
Hệ thống truyền dẫn HVDC dựa trên công nghệ VSC có thể cung cấp khả năng điều khiển độc lập cả công suất hoạt động và phản kháng mà không có sự cố chuyển mạch. Việc chuyển đổi các van IGBT trong truyền dẫn HVDC dựa trên VSC tuân theo điều chế độ rộng xung (PWM), cho phép hệ thống điều chỉnh góc pha và biên độ của điện áp đầu ra AC của bộ biến đổi với điện áp DC không đổi.
Ngoài ra, các hệ thống truyền dẫn HVDC dựa trên VSC bao gồm hai hệ thống điều khiển và bảo vệ độc lập, bao gồm bộ xử lý tín hiệu số và bộ vi điều khiển, đồng thời cung cấp khả năng dự phòng để đảm bảo độ tin cậy cao. Các tính năng này được cho là do người dùng cuối có xu hướng hướng tới công nghệ VSC hơn công nghệ LCC trong hệ thống truyền dẫn HVDC.
Hệ thống HVDC dựa trên VSC đang ngày càng trở nên phổ biến trên thị trường hệ thống truyền dẫn HVDC, với hơn 55% thị phần doanh thu. Công nghệ truyền dẫn dựa trên VSC đã lỗi thời đối với các hệ thống truyền dẫn HVDC thông thường, mặc dù là một lựa chọn tương đối đắt tiền hơn cho các ứng dụng truyền dẫn được đánh giá cao hơn.
Các công ty hàng đầu trên thị trường hệ thống truyền tải HVDC đang đẩy mạnh việc áp dụng công nghệ VSC để nâng cao độ tin cậy của truyền tải HVDC trong các dự án năng lượng tái tạo được thực hiện trên toàn thế giới. Ví dụ, Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation - nhà sản xuất hệ thống phát điện hàng đầu Nhật Bản - đã công bố việc lắp đặt đường truyền HVDC dựa trên VSC kết nối đất liền Nhật Bản (Honshu) với đảo Hokkaido ở phía bắc Nhật Bản, vào tháng 3 năm 2019. Công ty công bố rằng đây là hệ thống HVDC dựa trên VSC đầu tiên của Nhật Bản đảm bảo công suất kết nối liên tục 600 MW tại mọi thời điểm.
Vào tháng 4 năm 2019, ABB Group - một tập đoàn đa quốc gia Thụy Điển-Thụy Điển hoạt động trong lĩnh vực điện, thiết bị điện nặng và công nghệ tự động hóa - thông báo rằng họ đã thành lập liên doanh với Hitachi, Ltd. - một công ty tập đoàn đa quốc gia của Nhật Bản - để cung cấp VSC - dựa trên hệ thống truyền tải HVSC cho trạm biến áp Higashi-Shimizu ở Nhật Bản. Công ty đã thông báo rằng hệ thống truyền tải HVDC dựa trên VSC sẽ bao gồm hai bộ chuyển đổi VSC (300.000 kW mỗi bộ) và Hitachi sẽ xây dựng hệ thống, bao gồm các máy biến áp chuyển đổi của Hitachi và một bộ chuyển đổi ABB HVDC với Hệ thống điều khiển và bảo vệ.
Những tiến bộ trong cơ sở hạ tầng Ultra HVDC (UHVDC) Ưu việt cho việc truyền tải năng lượng tái tạo
Sự phát triển của hệ thống truyền tải UHVDC là một trong những tiến bộ mới nhất của công nghệ truyền tải HVDC, cho phép truyền tải điện áp một chiều ít nhất là 800 kV; hệ thống truyền tải HVDC thông thường thường sử dụng điện áp từ 100 kV đến 600 kV. Khi nền kinh tế năng lượng toàn cầu mới dần tiến tới các lưới điện quy mô lục địa, các hệ thống truyền tải UHVDC có khả năng đạt được tầm quan trọng to lớn trên toàn thế giới.
Các khu vực phát triển là một trong những thị trường thuận lợi nhất cho hệ thống truyền tải UHVDC, vì các nước phát triển đang tạo ra một lượng lớn năng lượng tái tạo. Bắc Mỹ và Châu Âu là một trong những thị trường lớn nhất cho hệ thống truyền dẫn HVDC, vì các cơ quan quản lý ở những khu vực này đang đầu tư mạnh mẽ để phát triển cơ sở hạ tầng HVDC nhằm đáp ứng các mục tiêu khí hậu của họ.
Vương quốc Anh là một trong những quốc gia châu Âu hàng đầu đã triển khai hệ thống truyền dẫn HVDC. Vương quốc Anh chia sẻ liên kết HVDC với một số quốc gia lân cận, bao gồm Na Uy, Ireland, Pháp và Hà Lan. Ngoài ra, Hoa Kỳ đang đẩy mạnh đầu tư vào sản xuất năng lượng sạch, và việc áp dụng hệ thống truyền dẫn HVDC đang gia tăng với tốc độ nhanh chóng ở nước này. Mạng lưới hệ thống siêu xa lộ điện liên bang ngày càng mở rộng ở Mỹ khiến Bắc Mỹ trở thành thị trường lớn nhất cho hệ thống truyền tải điện HVDC, với gần 1/4 thị phần doanh thu toàn cầu.
Tuy nhiên, ngày càng nhiều nền kinh tế mới nổi đang cho thấy sự tăng trưởng đầy hứa hẹn trong sản xuất năng lượng tái tạo với sự phát triển của các nhà máy thủy điện và các dự án điện gió. Các quốc gia đang phát triển là nơi có các dự án năng lượng mặt trời và năng lượng gió quy mô lớn, và các hệ thống truyền tải UHVDC đang được áp dụng để đáp ứng nhu cầu điện năng ngày càng tăng ở các quốc gia này.
Trung Quốc trở thành một trong những quốc gia hàng đầu trên thế giới lần đầu tiên áp dụng hệ thống truyền dẫn UHVDC. Năm 2010, đường truyền UHVDC đầu tiên trên thế giới được xây dựng bởi Tập đoàn ABB giữa Thượng Hải và Xiangjiaba ở Trung Quốc với công suất 6,4 GW và tổng chiều dài khoảng 1.907 km. Đến năm 2017, quốc gia này đã đầu tư hơn 400 tỷ nhân dân tệ (57 tỷ USD) để phát triển ít nhất 21 đường truyền UHVDC mới trong nước.
General Electric Company (GE) - một tập đoàn đa quốc gia của Mỹ - đã vận hành giai đoạn 1.500 MW đầu tiên của hệ thống truyền tải điện HVDC hai giai đoạn tại Chhattisgarh, Ấn Độ, vào năm 2017. Power Grid Corporation of India Limited - một công ty điện lực quốc doanh của Ấn Độ công ty - đã đầu tư hơn 6.300 crore INR vào dự án. Bộ Điện lực thông báo rằng công suất dự án được nâng cấp thêm lên 6.000 MW với vốn đầu tư hơn 5.200 crore INR, vào tháng 12 năm 2018. GE thông báo rằng đây là dự án UHVDC đầu tiên của công ty tại Ấn Độ cũng như trên thế giới, là 1.287 km siêu xa lộ năng lượng với công suất phát lên đến 3.000 MW.
Với việc ngày càng áp dụng các hệ thống truyền dẫn UHVDC ở các nền kinh tế mới nổi, chẳng hạn như Trung Quốc và Ấn Độ, khu vực Châu Á Thái Bình Dương (ngoại trừ Nhật Bản) đang nổi lên như một thị trường tăng trưởng cao cho các hệ thống truyền dẫn HVDC. Các xu hướng tương lai trong lĩnh vực truyền tải và phân phối điện (T&D) chịu ảnh hưởng lớn bởi sự kết hợp của các nguồn năng lượng tái tạo.
Tăng cường đầu tư vào lĩnh vực T&D sẽ thúc đẩy sản xuất năng lượng tái tạo trong những năm tới. Do đó, điều này sẽ kích hoạt việc áp dụng toàn cầu các hệ thống truyền dẫn HVDC như một giải pháp linh hoạt và tiết kiệm để quản lý các thách thức về sản xuất năng lượng mới và tích hợp các nguồn tái tạo trong những năm tới.