Kinh nghiệm cân bằng hệ thống, khi nguồn điện gió, mặt trời "vượt tầm kiểm soát"

Theo dõi KTMT trên

Nguyên nhân:

Tỷ lệ điện gió, mặt trời trong hệ thống điện tăng cao không xử lý được có nhiều nguyên nhân, cả khách quan lẫn chủ quan. Trong những năm gần đây, các vấn đề môi trường đang trở nên nghiêm trọng nên năng lượng tái tạo (NLTT) đã thu hút sự chú ý của cộng đồng, của ngành năng lượng, được xem như giải pháp trung hòa carbon và an ninh năng lượng. Tuy nhiên, việc phát điện sử dụng NLTT có nhược điểm cố hữu là sản lượng không ổn định, vì các đặc điểm ngoại lai như sự thay đổi của tốc độ gió, hoặc cường độ bức xạ mặt trời, hay sự khác biệt về đặc điểm lưới điện, thực tế vận hành hệ thống điện và các yếu tố khác liên quan tới thời tiết.

Những sai sót có thể xảy ra khi người vận hành, hoặc công ty cung cấp điện mắc phải để giảm thiểu tắc nghẽn đường truyền, hoặc quản lý hệ thống, hoặc đạt được sự kết hợp tối ưu của các nguồn lực cũng không thể bỏ qua. Việc cắt giảm công suất điện gió và năng lượng mặt trời thường xảy ra do tắc nghẽn đường truyền tải, hoặc thiếu quyền truy cập đường truyền tải, nhưng nó cũng có thể xảy ra vì nhiều lý do như dư thừa trong thời gian tải thấp, khiến các máy phát điện chạy nền đạt đến ngưỡng tối thiểu, do các vấn đề về điện áp hoặc kết nối, đặc biệt đối với lưới điện tách biệt… Về chủ quan, có lý do chính sách phát triển NLTT quốc gia chưa phù hợp, cân bằng giữa các địa phương, vùng miền v.v… Nhưng có lẽ quan trọng hơn cả là do sự dao động tần số của trang trại điện gió (WF) và nhà máy quang điện (PV) quy mô lớn khi tích hợp vào hệ thống điện.

Về nguyên nhân đối với Việt Nam cũng không phải là ngoại lệ nên khiến dư luận vẫn tranh luận, rằng: Chúng ta có nhiều điện gió, mặt trời nhưng nguy cơ thiếu điện vẫn là hiện hữu. Điện gió, mặt trời chiếm gần một phần ba công suất, phát hơn 15% sản lượng điện, nhưng Việt Nam, nhất là miền Bắc, vẫn nguy cơ thiếu điện vào mùa nắng nóng. Thực tế này cho thấy tỷ trọng công suất và huy động điện từ nguồn NLTT đã cao hơn nhiều trước đây, nhưng Việt Nam vẫn có nguy cơ “đói điện”.

Theo giới chuyên năng lượng giải thích: Nghịch lý trên, trước tiên do tính bất định của năng lượng tái tạo (ở đây là điện gió, điện mặt trời). Các loại hình này có những đặc tính về mùa, vùng miền và tác động của thời tiết... không phải lúc nào cũng sẵn sàng để phát. Chẳng hạn, nguồn điện mặt trời chỉ đạt hiệu quả phát điện tối ưu vào buổi trưa, bức xạ nhiều. Các nhà máy mặt trời đặt tại miền Trung, miền Nam có công suất phát tốt hơn tại phía Bắc do có số giờ nắng nhiều hơn v.v...

Với điện gió, cao điểm của năng lượng gió vào tháng 12, 1 và 2; còn thấp điểm là tháng 4, 5 và 6. Công suất phát điện gió không chỉ biến động theo mùa mà hàng ngày, thậm chí biến động mạnh giữa các thời điểm khác nhau trong ngày. Trước đây tỷ trọng điện gió chiếm mức nhỏ, nhưng nay lại tăng mạnh. Khi tỷ trọng điện gió, hay điện mặt trời tăng cao, trở thành nguồn điện quan trọng đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia thì đặt ra thách thức cho nhà vận hành hệ thống. Đó là cần xây dựng công cụ dự báo để cân đối giữa nhu cầu và khả năng phát của nguồn điện năng lượng tái tạo theo từng thời điểm, kết hợp với các nguồn điện truyền thống khác.

Yếu tố nữa là phần lớn các dự án năng lượng tái tạo đều tập trung ở miền Trung, miền Nam - nơi tiềm năng lớn, nhu cầu và tăng trưởng điện thấp hơn miền Bắc. Hơn nữa, hạ tầng chưa đáp ứng để truyền tải đủ lượng điện từ miền Trung và miền Nam ra miền Bắc.

Vài kinh nghiệm và giải pháp cân bằng hệ thống điệnkhi cótỷ lệ điện mặt trời và giócao:

Sự ổn định của hệ thống điện là yếu tố then chốt để hệ thống hoạt động an toàn và không bị gián đoạn. Tính ổn định của hệ thống điện được định nghĩa là khả năng khôi phục lại sự cân bằng hoạt động sau khi bị xáo trộn vật lý. Một trong những thông số quan trọng nhất trong hoạt động đồng thời của hệ thống điện là quán tính. Quán tính của hệ thống càng thấp thì hệ thống càng nhạy cảm với độ lệch tần số. Các nhà máy năng lượng tái tạo không đóng góp vào quán tính của hệ thống, bởi chúng được kết nối với mạng bằng thiết bị điện tử công suất. Đặc biệt, các hệ thống quang điện (PV) không đóng góp vào quán tính theo bất kỳ cách nào vì cấu trúc của chúng và quán tính của hệ thống bị giảm. Kết quả là, bên cạnh tần số và độ ổn định góc rotor của hệ thống điện, nó còn ảnh hưởng đến tính ổn định quá độ với dao động rotor lớn hơn.

Theo các chuyên gia năng lượng Mỹ: Để quản lý tốt tỷ lệ điện mặt trời và gió khi tăng cao trong hệ thống điện, trước tiên cần nhận biết nguyên nhân và rủi ro, nhất là khi gia tăng nhanh nguồn năng lượng gió, mặt trời vào hệ thống, nó tạo ra một mô hình hoạt động mới. Trong đó hệ thống thường có quá nhiều NLTT mà không có khách hàng phù hợp có nhu cầu sử dụng nó.

Nói theo chuyên môn là “cung vượt quá cầu”, hay cụ thể hơn trong ngành điện được thể hiện bằng thuật ngữ curtailment (curtailment - có thể hiểu trong các máy phát điện lên lưới, việc cắt giảm là việc cố ý giảm sản lượng xuống dưới mức đáng lẽ đã được sản xuất để cân bằng cung và cầu năng lượng, hoặc do các hạn chế về đường truyền tải).

Một trong những kinh nghiệm được thực hiện thành công trong việc quản khi tỷ lệ điện mặt trời và gió không điều độ được lên cao trong hệ thống điện là của người Mỹ. Bang California đã đạt được những bước tiến dài với lưới điện carbon thấp. Tuy nhiên, sự gia tăng nhanh chóng nguồn điện mặt trời PV và điện gió được đưa vào hệ thống đã tạo ra một mô hình mới, trong đó hệ thống thường có quá nhiều năng lượng tái tạo mà không có khách hàng phù hợp có nhu cầu sử dụng nó. Tác động của năng lượng tái tạo đối với hoạt động của lưới điện của bang California xảy ra với một tốc độ khá nhanh, đặc biệt là trong những tháng mùa xuân khi cung thường vượt cầu.

Trong thời gian cung vượt cầu, thị trường sẽ xuất hiện tình trạng cạnh tranh - tức là lựa chọn các nguồn năng lượng có chi phí thấp nhất. Các nguồn điện tái tạo có thể “đấu thầu” vào thị trường theo cách để giảm sản lượng khi giá bắt đầu giảm. Đây là kết quả thị trường bình thường và lành mạnh.

Sau đó, các đợt cắt giảm tự lên lịch được kích hoạt và ưu tiên sử dụng cân nhắc giá. Các biện pháp cắt giảm kinh tế và cắt giảm tự lên lịch được coi là “dựa trên thị trường” - vì thị trường ISO hiện nay có phần mềm tối ưu hóa tự động điều chỉnh cung với cầu. Cuối cùng, nếu các giải pháp dựa trên thị trường không giải phóng được lượng điện dư thừa được tạo ra, thì biện pháp cuối cùng là để ISO can thiệp thủ công, được gọi là “điều phối ngoại lệ”. Trong trường hợp này, các toán tử lưới ISO kêu gọi các nhà máy năng lượng tái tạo cụ thể giảm sản lượng để ngăn chặn hoặc giảm bớt các điều kiện gây rủi ro cho độ tin cậy của lưới điện. Các lệnh điều phối đặc biệt được coi là một sự cắt giảm “thủ công”, bởi vì các nhà điều hành ISO phải thủ công can thiệp, tuy nhiên nó không được ưu tiên vì tính kinh tế.

Vào năm 2015, ISO đã buộc phải cắt giảm tổng hơn 187 triệu kWh của năng lượng mặt trời và gió. Năm 2016, con số đó đã tăng lên hơn 308 triệu kWh. Khi so sánh các tháng mùa xuân trong những năm gần đây, ISO đã ghi nhận mức tăng 147% về năng lượng tái tạo bị cắt giảm từ quý 1 năm 2016 xuống cùng khung thời gian năm 2017.

Trong quý 1 năm 2017, khoảng 3% tổng lượng gió và năng lượng mặt trời tiềm năng đã bị cắt giảm, và khoảng 1% trong tổng lượng điện năng tái tạo tiềm năng bị hạn chế. Đáp ứng mục tiêu 50% năng lượng tái tạo của tiểu bang, ISO có thể quản lý các điều kiện cung vượt cầu từ quan điểm hoạt động và thị trường, nhưng xu hướng ngày càng tăng nếu cắt giảm các nguồn tài nguyên tái tạo có thể gây khó khăn từ nhìn từ góc độ chính sách, đặc biệt là khi các công ty cấp điện của tiểu bang chuyển đổi hướng tới hoàn thành nhiệm vụ tỷ lệ tái tạo 50%. Cắt giảm năng lượng tái tạo là đi ngược lại với các mục tiêu kinh tế và môi trường của California. Xây dựng lại hệ thống điện là không mang tính kinh tế. Trong khi việc cắt giảm hiện chỉ thể hiện một phần nhỏ phụ tải tổng thể, dự kiến ​​sẽ tăng lên trong những năm tới.

Có một số khái niệm và công nghệ đầy hứa hẹn đối với California đang được ững dụng để giảm thiểu tình trạng dư cung và cắt giảm bao gồm:

Thứ nhất: Lưu trữ, tăng hiệu quả tham gia bằng cách lưu trữ năng lượng.

Thứ hai: Điều chỉnh nhu cầu, cho phép điều chỉnh nhu cầu của người tiêu dùng, cả tăng và giảm, khi được bảo hành bởi điều kiện lưới điện.

Thứ ba: Tỷ lệ thời gian sử dụng - thực hiện thời gian sử dụng với tỷ lệ phù hợp giữa tiêu dùng với sử dụng hiệu quả các nguồn cung cấp năng lượng sạch.

Thứ tư: Tối thiểu hóa, các chính sách cần sửa đổi để giảm mức vận hành tối thiểu cho các máy phát điện hiện có, tạo điều kiện cho sản xuất điện tái tạo nhiều hơn.

Thứ năm: Mở rộng năng lượng ra nhiều khu vực, nơi đông dân, tiêu thụ nhiều để cân bằng thị trường.

Thứ sáu: Tăng cường điều phối khu vực, giúp đa dạng hóa nguồn năng lượng sạch thông qua chi phí hiệu quả và thị trường khu vực đáng tin cậy.

Thứ bảy: Tăng cường xe điện kết hợp hệ thống sạc xe phù hợp để đáp ứng với các điều kiện lưới thay đổi.

Cuối cùng, lắp đặt các nguồn điện linh hoạt - đầu tư để hiện đại hóa hệ thống hạ tầng, sản xuất và cung ứng để phản ứng nhanh với tình huống tăng - giảm đột ngột về nhu cầu.

Một số quốc gia còn áp dụng giải pháp đền bù cắt giảm (curtailment) do cân bằng cung và cầu năng lượng, hoặc do các hạn chế về đường truyền tải. Việc đền bù này thường thay đổi tùy theo loại cắt giảm và các công nghệ áp dụng. Phổ biến nhất, chủ nhà máy điện được bồi thường theo giá trị thị trường phổ biến đối với lượng điện bị cắt giảm, nhưng điều này thường không bao gồm doanh thu bị mất từ ​​các khoản tín dụng năng lượng xanh, hoặc các loại cơ chế hỗ trợ khác.

Ví dụ, tại Ireland, Romania và các quốc gia khác, nhà máy điện được bù cho một phần năng lượng bị mất (từ 15% đến 50%, hoặc cao hơn). Hay Hy Lạp bồi thường cho 30% năng lượng bị cắt giảm hàng năm, nhưng khoản bồi thường chỉ áp dụng cho các cơ sở điện gió. Đôi khi, việc bồi thường chỉ áp dụng cho các trường hợp cắt giảm cụ thể như ở Bỉ và Đức. Trong khi đó, Tây Ban Nha lại áp dụng cách làm khác theo kiểu dichotomy (song quan luận) - tức là các khoản cắt giảm thời gian thực được đền bù (mặc dù chỉ 15%) trong khi đó việc cắt giảm theo lịch trình do hạn chế kỹ thuật thì không.

KHẮC NAM - CHUYÊN GIA TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

Link tham khảo:

1. https://www.caiso.com/documents/curtailmentfastfacts.pdf

2. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211467X20300924

3. https://npc.com.vn/goc-nhin-bao-chi/ly-do-viet-nam-van-nguy-co-thieu-dien-du-nhieu-dien-gio-mat-troi-20119.html

4. https://www.scirp.org/journal/paperinformation.aspx?paperid=87474

5. https://www.issuelab.org/resources/11667/11667.pdf

6. https://www.nrel.gov/docs/fy14osti/60983.pdf

7. https://www.researchgate.net/publication/318295988_Overview_of_wind_power_intermittency_Impacts_measurements_and_mitigation_solutions

8. http://www.chinatoday.com.cn/ctenglish/2018/ln/202102/t20210226_800237464.html

Theo Tạp chí Năng lượng Việt Nam