Vận hành lưới truyền tải với tích hợp tỷ lệ cao nguồn năng lượng tái tạo

Bối cảnh:

Tính đến cuối năm 2020, hệ thống truyền tải điện của Việt Nam đứng thứ 23 thế giới và đứng thứ 4 ASEAN về quy mô. Tổng chiều dài các đường dây (ĐZ) 500 kV đã đạt 8.368 km; ĐZ 220 kV là 18.542 km với 33 trạm biến áp 500 kV (tổng dung lượng 40.800 MVA), 129 trạm biến áp 220 kV (tổng dung lượng 60.500 MVA) [1]. Với tổng công suất các nguồn điện đạt tới gần 70 GW vào cuối năm 2020, ngành điện đã sản xuất 246,7 tỷ kWh, đảm bảo đủ điện cho nền kinh tế và sinh hoạt của nhân dân.

Với các cơ chế khuyến khích phát triển năng lượng tái tạo (NLTT) của Chính phủ, trong các năm 2018 - 2021 hàng loạt các dự án điện gió (ĐG) điện mặt trời (ĐMT) đã được đưa vào lưới điện. Đến nay tổng công suất các nguồn ĐMT đang vận hành đã lên tới trên 17.000 MW và dự kiến đến cuối năm 2021 sẽ có tổng công suất nguồn ĐG đưa vào khoảng 5.600 - 6.000 MW. Công suất hai loại nguồn này sẽ chiếm tới 29% tổng công suất nguồn (khoảng 78.200 MW) vào cuối năm nay, và ước tính chiếm tới 54% phụ tải cực đại 42.146 MW như ngày cao điểm nắng tháng 6 vừa qua.

Theo định hướng chiến lược năng lượng trong Nghị quyết 55 của Bộ Chính trị, ban hành tháng 2/2020, Kịch bản cơ sở của Quy hoạch điện VIII đã đưa tổng công suất các nguồn NLTT chiếm tỷ trọng trong tổng công suất nguồn điện lên tới 53,9% vào năm 2025 và 47,8% vào năm 2030. Nếu chỉ tính các nguồn NLTT “phi thủy điện” thì các con số đó tương ứng là 30,0% và 29,8%, trong đó ĐG và ĐMT là 28.560 MW (2025) và 37.850 MW (2030).

Bối cảnh hiện tại và tương lai cho thấy ngành truyền tải điện đang và sẽ đối mặt với rất nhiều thách thức, khó khăn. Để đáp ứng nhu cầu điện tăng trưởng với tốc độ gần 10% trong thập kỷ qua, lưới truyền tải (LTT) đã không ngừng được đầu tư, nâng cấp, cải tiến. Bên cạnh các vấn đề khó khăn, tồn tại thường xuyên trong đền bù giải phóng mặt bằng, khi quỹ đất ngày càng hạn hẹp, Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia (EVNNPT) phải vận hành LTT với các thách thức mới: Đa số các khu vực có nhiều nguồn ĐG, ĐMT phát lên có đặc điểm LTT còn yếu, có nhu cầu phụ tải tại chỗ thấp, thay vì chủ yếu truyền tải tới tâm phụ tải, LTT sẽ có nhiệm vụ chủ yếu là đưa năng lượng từ ĐG, ĐMT vào điểm nhận của hệ thống, truyền tải xa tới các tâm phụ tải lớn; dòng công suất các nguồn NLTT này không ổn định và liên tục, phụ thuộc lớn vào thời tiết, gây quá tải lưới vào một số thời điểm, nhưng lại gây non tải trong thời gian dài…

Đồng thời tác động của đại dịch Covid từ hơn một năm qua đã sang làn sóng thứ tư, ảnh hưởng xấu đến mọi mặt hoạt động xã hội nói chung và tiếp tục gây khó khăn, cản trở cho công tác vận hành bảo dưỡng LTT, dẫn đến nguy cơ lây nhiễm cho CBNV ngành truyền tải.

Các giải pháp vận hành hiệu quả - an toàn khi thích hợp tỷ lệ cao NLTT trong lưới điện:

Đối với EVNNPT và các đơn vị thành viên:

Về mặt quản lý, EVNNPT đã truyền đạt đến CBNV trong Tổng công ty về nhận định các thách thức và sự cần thiết bố trí phương thức vận hành phi truyền thống, trong điều kiện truyền tải theo nhiều hướng, chủ động vận hành đảm bảo an toàn lưới điện trong các chế độ đầy tải và non tải xem kẽ.

Về sự cần thiết bổ sung, nâng cấp hạ tầng lưới truyền tải, một số điểm được nêu như sau:

1/ Lắp đặt hệ thống SCADA/EMS thu thập dữ liệu lưới truyền tải, nhằm theo dõi, giám sát hiệu quả tình trạng vận hành; dự báo được những điểm nghẽn, những đoạn thường quá tải hoặc non tải, những điểm có thể xảy ra sự cố. Hệ thống này được chia sẻ thông tin giữa EVNNPT và các trung tâm điều độ HTĐ.

2/ Kết nối với Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia (A0) và các trung tâm điều độ (TTĐĐ) miền về các dự báo ngắn hạn để có thông tin dự báo của các TTĐĐ, từ đó các đơn vị vận hành TT chủ động đưa ra các giải pháp vận hành tối ưu, tập trung tới các điểm có phụ tải tăng cao, hoặc sụt giảm đột ngột để có các giải pháp xử lý kịp thời. Tất nhiên, việc chủ động điều chỉnh công suất các nguồn điều khiển được trên hệ thống là do A0 và các TTĐĐ miền, nhưng việc kết hợp giữa điều khiển và vận hành sẽ tăng thêm độ tin cậy vận hành hệ thống.

3/ Các hệ thống và thiết bị bảo vệ tại những khu vực kết nối với nguồn điện mặt trời, điện gió cần được rà soát, thay thế, hoặc điều chỉnh, chuyển sang chế độ bảo vệ vô hướng hướng đến trung tâm phụ tải và hướng từ các nguồn NLTT về trạm biến áp nút nhận tải. Đồng thời kết hợp lắp đặt các hệ thống bù phản kháng (tụ bù, SVC, bù đồng bộ STATCOM…)

4/ Hệ thống BESS: Cần phân tích, xác định vai trò của BESS như một hộ phụ trợ quan trọng trên LTT, hoặc như một điểm lưu trữ năng lượng tại hộ ĐG, ĐMT để chuyển dịch đỉnh công suất phát của chúng từ giờ cao điểm phát của NLTT sang sang giờ cao điểm của phụ tải, giảm nghẽn mạch lưới, tránh việc phải cắt giảm điện phát từ nguồn NLTT. Với NPT, việc đánh giá về vốn đầu tư của BESS và khả năng hoàn vốn của hệ thống này sẽ có vai trò quyết định cho việc thử nghiệm đầu tư, vì đây không phải là một thiết bị cho tạo doanh thu, mà để tăng cường vận hành an toàn, hiệu quả chung cho HTĐ. Giải pháp đầu tư BESS cần được so sánh chi phí - hiệu quả với đầu tư thêm đường dây truyền tải. Xu thế hiện nay và tương lai cho thấy tín hiệu lạc quan là suất chi phí đầu tư các BESS đang giảm nhanh.

Về bổ sung các giải pháp vận hành lưới truyền tải:

Để vận hành lưới tại những khu vực thường xuyên truyền tải theo hai chiều và không cân đối (khi có nhiều nguồn ĐG, ĐMT phát điện vào lưới), một số giải pháp thay đổi kết dây, tách thanh cái, mở vòng lưới điện nhằm giảm nghẽn mạch, quá tải trong các thời điểm phát cao của ĐG và ĐMT đã được EVNNPT và các đơn vị truyền tải thực hiện. Tuy nhiên, chúng sẽ làm giảm độ tin cậy chung của khu vực LTT liên quan.

Tại các nguồn ĐG, ĐMT, các bộ chuyển đổi DC/AC là những thiết bị điện tử - công suất lớn (Thyristor, IGBT…). Việc điều khiển các bộ biến đổi công suất này sẽ tạo ra các sóng hài bậc cao đẩy vào lưới điện, gây ảnh hưởng đến điện áp, tần số của HTĐ. Với việc các nguồn NLTT biến đổi này tiếp tục được đưa vào vận hành với tỷ trọng cao trong giai đoạn tới, độ biến dạng sóng hài sẽ còn tăng cao và có thể vượt ngưỡng cho phép. Vì vậy, cần phải có các giải pháp ngăn ngừa sóng hài và nhấp nháy điện áp, hoặc đột ngột giảm công suất phát của nguồn ĐMT, ĐG nói trên.

Xúc tiến phát triển lưới điện thông minh - Smart Grid là giải pháp đang được triển khai, tuy nhiên do nhu cầu điện tăng nhanh trong điều kiện nguồn vốn đầu tư hạn chế, NPT luôn phải ưu tiên xây dựng mới và nâng cấp lưới điện, do đó ảnh hưởng tới tốc độ hiện đại hóa và ‘thông minh’ hóa lưới điện. Dù sao, việc thúc đẩy các đầu tư - vận hành Smart Grid sẽ có nhiều ý nghĩa hơn khi hệ thống ngày càng có quy mô nguồn NLTT lớn hơn. Các thiết bị lưu trữ năng lượng, cùng với Smart Grid và các chương trình điều chỉnh nhu cầu phụ tải sẽ giúp tăng độ linh hoạt và khả năng tích hợp các nguồn NLTT.

Với các nguồn phát từ các công trình điện mặt trời áp mái nhà (ĐMTMN), do trong chính sách khuyến khích hiện cho phép quy mô loại hình này tới mức công suất khá lớn (nhỏ hơn, hoặc bằng 1 MW hay 1,25 MWp), khi tất cả các nguồn này cùng phát điện vào giờ nắng, cộng với các nguồn ĐMT trang trại, tổng công suất tham gia vào HTĐ có thể tăng lên tới trên 16.000 MW nếu không bị cắt giảm, chiếm gần nửa tổng công cuất cực đại hệ thống hiện thời. Khi đột ngột có đám mây che nắng sẽ làm sụt giảm lượng công suất rất lớn, gây ảnh hưởng trầm trọng đến việc điều tần và điều áp của HTĐ. Vì vậy, một số giải pháp đối với ĐMTMN cần được áp dụng như sau: [2]

Một là: Về quản lý nhà nước, thay vì hiện nay không thể can thiệp vào điều khiển công suất các nguồn này, cần có các quy định cho phép phía điều độ cắt - giảm công suất với ĐMTMN; quy định về yêu cầu kỹ thuật đối với các bộ inverter để có thể vận hành an toàn khi ngăn chặn tần số vượt ra ngoài phạm vi cho phép; đồng thời cho nghiên cứu về các hệ thống PV có khả năng đáp ứng nhanh tương tự quán tính hệ thống để hỗ trợ việc điều tần.

Hai là: Đối với các TTĐĐ, cần được trang bị hệ thống tự động giám sát, điều chỉnh, hoặc cắt giảm công suất phát của các nguồn ĐMTMN có quy mô tương đối lớn (ví dụ từ 0,5 đến 1 MW).

Ba là: Do các hộ đầu tư lắp đặt ĐMTMN có quy mô nhỏ thường đưa điện vào lưới qua hệ thống 1 pha, nếu bên vận hành không kiểm soát sẽ dẫn đến mất cân bằng pha, nhất là tại thời điểm nguồn phát cao hơn nhu cầu phụ tải tại chỗ. Để tránh hậu quả gây sự cố lưới điện do các rơ-le bảo vệ không đảm bảo, sóng hài lan truyền vào lưới, cần có giải pháp tốt chống lệch pha như [3]: Tính toán xác định lượng công suất ĐMTMN lớn nhất có thể đưa vào mà vẫn đảm bảo cân bằng pha; sử dụng rơ-le cân bằng điện áp 3 pha để cắt tải trong trường hợp mất cân bằng pha quá mức cho phép; sử dụng bộ điều chỉnh điện áp 3 pha; lắp đặt các bộ lọc sóng hài…

Về vận hành trong điều kiện dịch bệnh Covid:

Thế giới cũng như Việt Nam đã trải qua hơn một năm rưỡi bị dịch Covid-19 tác động, và hiện nay làm sóng tiếp theo của bệnh dịch này đang tiếp tục gây tổn hại, khó khăn cho mọi hoạt động kinh tế và đời sống của nước ta. Hoạt động của ngành điện nói chung và của NPT cũng bị tác động lớn. Các hoạt động vận hành LTT vẫn cần duy trì liên tục trong lúc nhiều địa phương áp dụng các biện pháp giãn cách xã hội. Việc di chuyển và tác nghiệp của kỹ sư, công nhân các đội truyền tải để bảo dưỡng, sửa chữa, khắc phục sự cố đường dây và trạm biến áp chắc chắn gặp khó khăn, có nguy cơ cao bị nhiễm bệnh.

Một trong các yếu tố thuận lợi hiện nay là đã có khá nhiều các trạm biến áp truyền tải được trang bị hệ thống không người trực, hoặc ít người trực. Việc đẩy mạnh công nghệ 4.0 của ngành truyền tải đã giảm bớt hoạt động nhân công, do đó cũng giảm bớt nguy cơ lan truyền dịch bệnh. Các hoạt động giám sát Online thiết bị trong trạm biến áp đã được ứng dụng, thiết bị bay không người lái UAV giám sát đường dây đã được Công ty Truyền tải điện 3 (PTC3) triển khai. Nhưng để đối phó với các tình huống ngoài mong muốn do tác động dịch bệnh, NPT đã phải bố trí thêm các đội vận hành LTT dự phòng - nghĩa là nhân lực và chi phí cũng tăng thêm, đảm bảo mục tiêu ‘kép’: Vừa phòng chống dịch bệnh, vừa đảm bảo dòng điện thông suốt. Một số trạm biến áp 500 kV và 220 kV quan trọng đã được bố trí các kỹ sư công, nhân cắm chốt, tự cách ly sau ca trực để không để sự cố do dịch bệnh.

Theo số liệu thống kê, bình quân trong 6 tháng đầu năm 2021, ngoại trừ tháng 2/2021 có nhu cầu điện giảm hơn do vào dịp Tết Nguyên đán, NPT đã đảm bảo truyền tải bình quân hàng tháng trên 18 tỷ kWh cho nền kinh tế, đặc biệt đã không để xảy ra sự cố đáng kể trong những ngày nắng nóng bất thường vừa qua.

Đối với các chủ đầu tư nhà máy điện gió và điện mặt trời:

Thứ nhất: Việc lựa chọn địa điểm phù hợp để phát triển dự án ĐG, ĐMT rất quan trọng, trong đó các điểm cần lưu ý là:

1/ Khu vực gần dự án có năng lực lưới truyền tải hiện hành tương đối tốt, hoặc đang được mở rộng nâng cấp. Lợi thế này làm giảm đáng kể việc đầu tư thêm các đoạn đường dây truyền tải từ dự án đến trạm tiếp nhận.

2/ Nhu cầu phụ tải điện tại khu vực tương đối cao, giúp tiêu thụ lượng đáng kể điện năng phát của dự án.

Thứ hai: Các thiết bị kỹ thuật của dự án như máy biến áp, inverter, các bộ điện tử - công suất khác… cần thiết được tính toán lựa chọn phù hợp để giảm tác động về sóng hài, nhấp nháy điện áp lan truyền đến LTT.

Thứ ba: Giải pháp đầu tư thêm hệ thống lưu trữ năng lượng (BESS) tại dự án ĐG và ĐMT gần đây đang được một số nhà sản xuất thiết bị giới thiệu. Loại hình thiết bị này đang ngày càng có chỉ tiêu kỹ thuật cao hơn và giá cả có xu thế giảm nhanh. Giải pháp này làm tăng thêm vốn đầu tư cho dự án, nhưng nó có tác dụng lưu lại điện năng vào những thời điểm phụ tải thấp, tránh lưới điện bị quá tải dẫn đến việc cắt giảm công suất của nhà máy (bất khả kháng) từ phía điều độ. Lượng điện năng đã lưu trữ sẽ được phát lại lưới điện vào giờ cao điểm phụ tải, trong khi các nguồn ĐG, ĐMT đã suy giảm. Các chủ đầu tư nên nghiên cứu về chi phí - hiệu quả của BESS để quyết định đầu tư. (Xem hình minh họa trên).

Thay cho lời kết:

Để tích hợp với tỷ lệ cao các nguồn NLTT, các cơ quan quản lý nhà nước cần đưa ra các chính sách khuyến khích lắp đặt các thiết bị lưu trữ như BESS tại điểm trên lưới, gần các nguồn ĐG, ĐMT, trong đó có các hỗ trợ về miễn giảm thuế... Cùng với đầu tư xây dựng các nhà máy thủy điện tích năng, các nguồn linh hoạt, giải pháp khuyến khích BESS sẽ tạo điều kiện vận hành an toàn và hiệu quả LTT.

EVNNPT đã nỗ lực cao trong đầu tư nâng cấp LTT, thực hiện chuyển đổi số trong hoạt động vận hành, đồng thời đã triển khai nhiều giải pháp vận hành truyền tải “kép” tại các khu vực có nhiều nguồn phát NLTT như ĐG, ĐMT, nhưng còn nhiều khó khăn thách thức trước mắt và lâu dài với xu thế các nguồn NLTT biến đổi, không ổn định sẽ ngày càng được đưa vào lưới với quy mô lớn hơn, cùng với tác động của dịch bệnh Covid chưa biết đến khi nào mới chấm dứt.

EVNNPT nên xem xét đầu tư hệ thống SCADA/EMS tương tự như tại các TTĐĐ để có thể chủ động hơn khi giám sát liên tục các dòng truyền tải trên lưới điện, nhận dạng các tình huống bất thường để sẵn sàng hơn trong công tác đầu tư nâng cấp, cũng như vận hành sửa chữa các phần tử bị sự cố.

Cùng với đó, các chủ đầu tư nguồn ĐG, ĐMT cần chủ động đánh giá những thuận lợi và rủi ro đầu tư, lựa chọn “khôn ngoan” để triển khai các dự án của mình với hiệu quả cao nhất, tránh đường đi theo kiểu “phong trào”./.