Phần lớn lưới truyền tải và phân phối điện trên thế giới hiện đang hoạt động với dòng điện xoay chiều (AC), nhưng dòng một chiều điện áp cao (HVDC) đang thu hút sự quan tâm của dư luận trong bối cảnh biến đổi khí hậu và chuyển đổi năng lượng đang diễn ra.
Tổng hợp dưới đây của chuyên gia Tạp chí Năng lượng Việt Nam đề cập đến vai trò của HVDC trong quá trình phát triển lưới điện hiện tại, cũng như triển vọng trong tương lai khi lưới điện thông minh ra đời.
Đôi nét về HVDC và các ứng dụng mới nổi của HVDC:
Cuộc chiến thế kỷ 19 giữa công nghệ dòng điện xoay chiều (AC) của Nikolai Tesla và dòng điện một chiều (DC) của Thomas Edison đã có một người chiến thắng không thể tranh cãi. Tuy phần lớn các lưới truyền tải và phân phối trên thế giới hiện đang hoạt động trên dòng điện xoay chiều AC, nhưng dòng một chiều điện áp cao (HVDC) vẫn được quan tâm, sử dụng trong truyền tải công suất lớn và dài.
HVDC là viết tắt của cụm từ tiếng Anh là High Voltage Direct Current - Dòng điện Một chiều Cao áp. Cụm từ này hàm ý tới công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều, thường được so sánh với công nghệ thông dụng hiện nay: HVAC - Dòng điện Xoay chiều Cao áp. Công nghệ HVDC hội tụ nhiều ưu điểm như: Công suất truyền tải lớn, không truyền tải công suất phản kháng trên đường dây, hành lang tuyến dây giảm so với công nghệ HVAC, kết nối không đồng bộ các hệ thống điện khác nhau.
Thực tế, HVDC đang là phương án không thể bỏ qua khi xem xét truyền tải ở khoảng cách lớn, truyền tải cáp ngầm dài xuyên biển, hoặc kết nối hệ thống điện giữa các quốc gia mà không cần đồng bộ.
Như đề cập, HVDC đã có lịch sử phát triển lâu dài từ khi Thomas Alva Edison (1847 - 1931) phát minh ra điện một chiều, hệ thống truyền tải điện đầu tiên là hệ thống dòng điện một chiều. Tuy nhiên, ở điện áp thấp, công suất truyền tải điện một chiều không thể đi quá xa. Đến đầu thế kỷ XX, với sự phát triển của công nghệ máy biến áp và động cơ cảm ứng, truyền tải điện xoay chiều dần trở nên phổ biến và là lựa chọn số 1 của các quốc gia.
Theo dữ liệu từ BNEF: Tổng dung lượng HVDC toàn cầu đến năm 2022 vào khoảng 400 GW. Hơn nửa trong số đó là các đường liên kết tại châu Á, đứng đầu là Trung Quốc.
Tại Trung Quốc, nhiều đường HVDC được xây dựng để truyền tải điện năng từ các nguồn ở xa/nguồn NLTT tới các trung tâm phụ tải với khoảng cách rất lớn. Nước này có nhiều dự án HVDC có công suất 6.400 MW và điện áp 800 kV, đặc biệt có đường dây Changji - Guquan là dự án HVDC có quy mô lớn nhất thế giới với điện áp ± 1.100 kV và công suất 12 GW, chiều dài khoảng 3.300 km [1].
Ngoài Trung Quốc, một số lượng lớn các dự án được phát triển tại châu Âu. Các dự án liên kết nội châu Âu chiếm khoảng 22% tổng các dự án HVDC toàn cầu.
Khác với các dự án ở Trung Quốc và Ấn Độ, hầu hết là liên kết trong một quốc gia, các dự án ở châu Âu thường kết nối các hệ thống điện giữa các quốc gia dư thừa công suất và điện năng với các quốc gia có phụ tải cao, hoặc kết nối với các dự án năng lượng tái tạo (NLTT) quy mô lớn (thường là điện gió ngoài khơi). Do vậy, các dự án HVDC ở châu Âu thường là điểm đối điểm xuyên biên giới, với công suất khoảng 1-1,5 GW [1].
Ngày nay, truyền tải HVDC là phần không thể thiếu trong hệ thống điện của một số quốc gia trên thế giới. Truyền tải HVDC luôn được xem xét khi phải tải lượng công suất rất lớn đi khoảng cách xa, liên kết giữa các hệ thống điện không đồng bộ, hoặc xây dựng các đường cáp điện vượt biển. Về lý do kinh tế, suất đầu tư cho đường dây truyền tải DC thấp hơn AC do thiết kế cột của đường dây DC gọn nhẹ hơn. Ngoài ra, tổn thất công suất trên đường dây truyền tải của hệ thống DC thấp hơn AC cùng điện áp.
Theo tính toán, về lý thuyết tổn thất công suất của đường dây DC chỉ bằng khoảng 80% đường dây AC khi truyền tải cùng công suất, khoảng cách. Điều này dẫn đến chi phí tổn thất điện năng của hệ thống HVDC thấp hơn hệ thống HVAC.
Về lý do kỹ thuật, đường dây HVDC không phát sinh công suất phản kháng, chỉ truyền tải công suất tác dụng nên không gặp các vấn đề về quá điện áp trên đường dây dài như hệ thống AC. Hệ thống HVDC có thể giúp trao đổi điện năng giữa các hệ thống điện khác nhau về tần số, điều độ vận hành, thậm chí có thể liên kết giữa hệ thống điện mạnh với hệ thống điện yếu hơn nhiều mà không làm ảnh hưởng đến nhau.
Mặc dù có nhiều lợi thế, nhưng việc tích hợp HVDC trong hệ thống AC vẫn phải được xem xét cẩn thận và yêu cầu các nhà cung cấp điện phải tính toán kỹ về vai trò của điều khiển điện áp AC. Trước đây, một trong những thách thức với HVDC là khó khăn, chi phí và tổn thất liên quan đến việc tăng, hoặc giảm điện áp, so với sự dễ dàng có thể đạt được với máy biến áp trên mạng AC. Một số hạn chế này đã được khắc phục về mặt kỹ thuật, nhưng việc kiểm soát điện áp vẫn là một vấn đề nan giải với DC.
Cho đến gần đây, các ứng dụng HVDC chủ yếu khai thác các lợi thế của công nghệ trong việc truyền tải lượng điện năng lớn trên một khoảng cách dài, giữa hai hệ thống không đồng bộ về tần số, điển hình là các kết nối quốc tế. Ví dụ như kết nối truyền tải điện Anh - Pháp 2.000 MW, và kết nối truyền tải điện BritNed 1.000 MW giữa Anh và Hà Lan. Tuy nhiên, ngày càng có nhiều người quan tâm đến việc sử dụng DC như một chiến thuật, giữa nhà máy điện và lưới phân phối, thậm chí xuống cấp trung áp, hoặc hạ áp. Các ứng dụng mới bao gồm kết nối các “đảo” lưới điện cục bộ, cũng như tích hợp số lượng ngày càng tăng của các trang trại năng lượng mặt trời và pin quy mô công nghiệp có bản chất DC.
Công cụ hữu ích cho quá trình chuyển đổi năng lượng:
Một trong những điểm mạnh của HVDC là khả năng kết nối các mạng không đồng bộ, hoặc hoạt động ở các tần số khác nhau. Là một điểm cộng thêm, HVDC đạt được sự tách biệt giữa các mạng AC khác nhau, do đó, bất kỳ sự cố nào trên một trong số chúng có thể được cách ly với mạng kia. Điều này rất quan trọng, khi lưới điện của Vương quốc Anh chuyển đổi từ mô hình phát điện tập trung và mạng phân phối thụ động của những năm 1950 sang một tương lai năng động hơn nhiều về phát điện tái tạo phân tán và quản lý tích cực các mối quan hệ với khách hàng trên mạng thông minh. HVDC có tiềm năng trở thành một công cụ ngày càng quan trọng để phát triển lưới điện thành thứ gì đó mang tính mô-đun, kết hợp và linh hoạt hơn nhiều so với dự kiến trước đây.
Nguyên tắc kết nối một liên kết HVDC vào lưới điện xoay chiều bao gồm: Đường dây, hoặc cáp trên không, hoặc cả hai, với một trạm chuyển đổi AC-DC-AC (còn gọi là trạm Converter) ở mỗi đầu. Các công nghệ của trạm chuyển đổi đã phát triển vượt bậc trong những thập kỷ gần đây để giảm tổn thất vốn có trong quy trình, nhưng chúng vẫn còn đắt về chi phí vốn và bảo trì, so với các trạm biến áp AC thông thường.
Theo các nghiên cứu gần đây, từ khoảng cách truyền tải trên 400 km, tổ hợp công nghệ HVDC với đường dây + trạm chuyển đổi AC-DC-AC có chi phí kinh tế (đầu tư và vận hành) tương đương với hệ thống truyền tải HVAC. Có nghĩa là khi truyền tải điện với khoảng cách lớn hơn 400 km, lựa chọn hệ thống HVDC có lợi hơn về kinh tế, ngoài những ưu điểm đã nêu trên.
Tại sao HVDC vẫn cần điều khiển điện áp?
Khả năng truyền tải lượng điện năng lớn và thay đổi của các liên kết HVDC có ý nghĩa sâu sắc đối với các mạng AC mà chúng được kết nối, đặc biệt là về điện áp. Khi nguồn điện chạy dọc theo kết nối HVDC, mạng “gửi” sẽ bị giảm điện áp, trong khi đầu “nhận” lại bị tăng điện áp. Kiểm soát sự thay đổi điện áp trên mỗi mạng AC được kết nối bởi HVDC rõ ràng là một vấn đề quan trọng.
Để có hiệu quả, một hệ thống AVC phải liên tục theo dõi và tự động điều khiển điện áp, giữ chúng trong các thông số đã đặt và ngăn ngừa các mức điện áp chạy quá mức. Nó thực hiện điều này bằng cách quản lý mối quan hệ giữa công suất thực, công suất phản kháng và điện áp, được liên kết chặt chẽ và sẽ bị ảnh hưởng trực tiếp bởi các dòng điện HVDC.
Các giải pháp AVC nên được thiết kế để hoạt động với điện áp trên hầu hết mọi loại hệ thống, kể cả các sơ đồ phức tạp liên quan đến các nguồn năng lượng phân tán. Kết nối với thiết bị đầu cuối HVDC có thể được coi là “máy biến áp ảo”. Khả năng bù cho các hệ số công suất dao động, cũng như các tải linh hoạt và biến đổi cao được tạo ra bởi các dòng điện qua liên kết HVDC, đảm bảo rằng điện áp vẫn nằm trong tầm kiểm soát và hài hòa trong các mạng AC ở hai đầu.
Tích hợp với AC:
Rõ ràng, một trong những cân nhắc chính khi thiết kế và triển khai liên kết HVDC là thiết bị điện tử chuyển đổi ở mỗi đầu của kết nối phải được thiết lập để tương thích với thiết bị AVC hiện tại và tương lai. Thiết bị kết nối HVDC nên tập trung vào việc quản lý dòng điện thay vì cố gắng kiểm soát điện áp. Đó là nhiệm vụ được thực hiện tốt nhất bởi các công nghệ AVC chuyên dụng được thiết kế cho mạng AC. Với điều kiện đó, liên kết HVDC sẽ hoạt động hiệu quả, loại bỏ bất kỳ tác động bất lợi nào đối với điện áp trên các mạng AC mà nó kết nối.
Đối với câu hỏi nên đặt bộ chuyển đổi AC/DC ở đâu khi kết nối các nguồn điện DC quan trọng với lưới điện, chẳng hạn như trang trại năng lượng mặt trời và cơ sở lưu trữ điện quy mô công nghiệp, chúng nên được đặt càng gần nguồn càng tốt. Xương sống của hệ thống truyền tải và phân phối sẽ vẫn là AC trong tương lai gần. Vì vậy, một lần nữa, điều hợp lý là các liên kết HVDC tập trung vào việc quản lý dòng điện, trong khi thiết bị lưới điện xoay chiều vẫn chịu trách nhiệm quản lý điện áp.
HVDC có một vai trò quan trọng và có tiềm năng trong quá trình phát triển của lưới điện. Nó sẽ giúp cho phép chuyển đổi hệ thống truyền tải, phân phối đồng bộ của chúng ta thành một hệ thống đồng thời mang tính mô-đun và tách biệt hơn, thông minh hơn, lưu trữ đa dạng hơn.
Ở Việt Nam, trong Báo cáo quy hoạch điện VIII, khi tính toán tăng thêm truyền tải từ miền Trung ra miền Bắc sau năm 2030 đã đề xuất định hướng: Sau năm 2030 sẽ phát triển 2 hệ thống truyền tải bằng HVDC từ khu vực miền Trung Trung bộ - Bắc bộ (±800 kV, 1.100 km, 5.000 MW) và Nam Trung bộ - Bắc bộ (±800 kV, 1.500 km, 5.000 MW). So với lựa chọn HVAC, phương án HVDC nói trên có ưu thế về vốn đầu tư thấp hơn; tổn thấp thấp hơn và chiếm dụng đất hành lang tuyến đường dây cũng thấp hơn (40%) [2].
Theo Viện Năng lượng: “Việt Nam có điều kiện địa hình dài và hẹp, hạn chế về quỹ đất, lại có phân bổ tiềm năng NLTT không đều giữa các khu vực. Hơn nữa, phương án chuyển đổi năng lượng sẽ phát triển mạnh mẽ các nguồn NLTT tại miền Trung và miền Nam, hạn chế các nhà máy điện than mới tại miền Bắc dẫn đến nhu cầu truyền tải liên miền dự kiến tăng cao. Những lý do này là điều kiện thuận lợi để xem xét phát triển hệ thống truyền tải điện một chiều HVDC tại Việt Nam...
Tuy nhiên, việc phát triển hệ thống HVDC với quy mô lớn (10 - 12 GW), điện áp cao (800 kV) khi chưa làm chủ được công nghệ tiềm ẩn nhiều rủi ro về khả năng thực hiện, cũng như cân nhắc các yếu tố vận hành, dự phòng công suất khi sự cố hệ thống HVDC... Công nghệ HVDC là một công nghệ mới tại Việt Nam, cần nhiều thời gian để nghiên cứu phát triển, xây dựng hệ thống tiêu chí và các quy định chuyên ngành. Do đó, việc quyết định sử dụng công nghệ HVDC cần được đưa ra trong một lộ trình phát triển ổn định đối với việc theo đuổi các mục tiêu phát triển NLTT của Chính phủ và sự kiên định trong chiến lược phát triển nguồn điện”./.
Khắc Nam
