Làm thế nào Microgrids và DER có thể tối đa hóa tính bền vững và khả năng phục hồi trong các cơ sở...

Các nguồn năng lượng phân tán (DER) như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, nhiệt và điện kết hợp (CHP), hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) và thậm chí cả máy phát điện thông thường có thể là những đóng góp đáng kể để cải thiện tính bền vững và khả năng phục hồi trong các cơ sở thương mại và công nghiệp. Đặc biệt khi chúng được kết hợp thành một lưới điện siêu nhỏ (microgrids) sử dụng hệ thống điều khiển tự động để điều phối và quản lý việc tạo, lưu chuyển, lưu trữ và tiêu thụ năng lượng một cách thông minh

Bài viết này xem xét các yếu tố tạo nên một lưới điện siêu nhỏ, xem xét các kiến trúc lưới điện siêu nhỏ, trình bày tổng quan về IEEE 1547, thiết lập yêu cầu kết nối các DER và IEEE 2030 cung cấp quy trình kỹ thuật toàn diện để mô tả các chức năng của bộ điều khiển lưới điện siêu nhỏ, sau đó xem xét cách các bộ điều khiển lưới điện siêu nhỏ có thể nâng cao tính bền vững, khả năng phục hồi và lợi ích kinh tế, đồng thời là các mối lo ngại về an ninh mạng đối với lưới điện siêu nhỏ.

Để tạo ra một lưới điện siêu nhỏ

Microgrids rất đa dạng trong việc triển khai và các thành phần của chúng. Để thảo luận về cách lưới điện siêu nhỏ và DER có thể tối đa hóa tính bền vững và khả năng phục hồi, tốt nhất nên bắt đầu với một định nghĩa và một vài ví dụ về các thành phần và kiến trúc của lưới điện siêu nhỏ. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) định nghĩa lưới điện siêu nhỏ là “một nhóm các phụ tải được kết nối với nhau và các nguồn năng lượng được phân bổ trong các ranh giới điện được xác định rõ ràng, hoạt động như một thực thể duy nhất có thể điều khiển được đối với lưới điện. Lưới điện siêu nhỏ có thể kết nối và ngắt kết nối khỏi lưới để cho phép nó hoạt động ở chế độ kết nối lưới và đảo”.

Mặc dù định nghĩa về lưới điện siêu nhỏ rất đơn giản nhưng có nhiều loại lưới điện siêu nhỏ, phương thức vận hành và các hệ thống con khả thi để lựa chọn khi xây dựng lưới điện siêu nhỏ. Việc nhận ra tính bền vững, khả năng phục hồi tối đa của lưới điện siêu nhỏ đòi hỏi nhiều lựa chọn về kiến trúc và vận hành. Tự động hóa là một vấn đề quan trọng cần cân nhắc. Ví dụ về các hệ thống con tự động bao gồm (Hình 1):

– Tạo ra trong lưới điện siêu nhỏ, bao gồm nhiều loại DER và CHP

– Mạng lưới phân phối điện

– BESS

– Tải như hệ thống HVAC và máy móc, động cơ trong các cơ sở công nghiệp

– Quản lý sạc xe điện và kết nối xe với lưới điện (V2G)

– Bộ điều khiển và thiết bị đóng cắt microgrid

– Kết nối với lưới tiện ích để cài đặt kết nối lưới

Danh mục lưới điện siêu nhỏ

Lưới điện siêu nhỏ có thể được phân loại theo loại chúng nằm ngoài lưới hay nối lưới:

Cơ sở không nối lưới là loại phổ biến nhất. Các trường hợp sử dụng bao gồm các khu vực vùng sâu vùng xa không có mạng lưới tiện ích thương mại phục vụ, như hầm mỏ, khu công nghiệp, nhà ở trên núi và căn cứ quân sự.

Ngoài lưới điện do cộng đồng lãnh đạo cũng được tìm thấy ở các địa điểm xa xôi. Các trường hợp sử dụng bao gồm các làng, đảo và cộng đồng xa xôi. Trong khi các lưới điện siêu nhỏ do cơ sở điều hành được kiểm soát bởi một thực thể duy nhất thì các lưới điện siêu nhỏ do cộng đồng lãnh đạo phải đáp ứng nhu cầu của một nhóm người dùng. Họ có thể yêu cầu hệ thống chỉ huy và kiểm soát phức tạp hơn.

Các cơ sở kết nối với lưới điện có một chủ sở hữu duy nhất và được sử dụng để cải thiện độ tin cậy ở những khu vực nơi lưới điện chính không đáng tin cậy và cần có nguồn điện hoặc trong trường hợp có các khuyến khích kinh tế đối với các phụ tải có thể loại bỏ và các dịch vụ khác từ chủ sở hữu lưới điện siêu nhỏ. Các trường hợp sử dụng có thể bao gồm bệnh viện, trung tâm dữ liệu, nhà máy sản xuất quy trình liên tục và các tòa nhà có tính sẵn sàng cao khác.

Đôi khi lưới điện siêu nhỏ là những hòn đảo

Ngoài việc thảo luận về các thành phần của lưới điện siêu nhỏ, định nghĩa DOE còn đề cập đến hoạt động của lưới điện siêu nhỏ ở “cả chế độ kết nối lưới và chế độ đảo”. Định nghĩa của các chế độ này rất đơn giản nhưng việc triển khai phức tạp hơn và được đề cập trong một số tiêu chuẩn của IEEE.

IEEE 1547-2018, tiêu chuẩn kết nối tài nguyên phân tán với hệ thống điện, nêu chi tiết các yêu cầu kỹ thuật về kết nối và khả năng tương tác của DER với lưới điện. IEEE 1547 là một tiêu chuẩn đang phát triển. Các phiên bản trước của IEEE 1547 được thiết kế cho mức độ thâm nhập DER thấp và không xem xét đến tác động tổng hợp tiềm tàng của DER đối với hệ thống điện số lượng lớn. IEEE 1547-2018 đã bổ sung các yêu cầu chặt chẽ hơn về điều chỉnh điện áp, tần số cũng như khả năng truyền tải để nâng cao độ tin cậy của hệ thống truyền tải. Gần đây hơn, bản sửa đổi 1547a-2020 đã được bổ sung để điều chỉnh hiệu suất hoạt động bất thường.

IEEE 2030.74 mô tả các chức năng của bộ điều khiển lưới điện siêu nhỏ về chế độ vận hành hai trạng thái ổn định (SS) và bốn loại chuyển tiếp (T) (Hình 2):

• SS1, chế độ kết nối lưới ở trạng thái ổn định, có lưới điện siêu nhỏ được kết nối với lưới điện tiện ích. Bộ điều khiển có thể sử dụng các thành phần trong lưới điện siêu nhỏ để cung cấp các dịch vụ như điều chỉnh đỉnh điểm, điều chỉnh tần số, hỗ trợ công suất phản kháng và quản lý đường nối vào lưới điện.
• SS2, chế độ đảo ổn định, còn được gọi là chế độ “đảo”, là khi lưới điện siêu nhỏ bị ngắt khỏi lưới tiện ích và hoạt động độc lập. Bộ điều khiển được yêu cầu để cân bằng tải cũng như các dịch vụ tạo lưới điện siêu nhỏ và lưu trữ năng lượng để duy trì hoạt động ổn định của lưới điện siêu nhỏ.
• T1, đề cập đến quá trình chuyển đổi theo kế hoạch từ lưới được kết nối sang chế độ đảo trạng thái ổn định. Ngay cả khi có lưới điện tiện ích, vẫn có thể có động cơ kinh tế hoặc hoạt động để chuyển sang chế độ đảo. Ngoài ra, chế độ này có thể hỗ trợ thử nghiệm hoạt động của lưới điện siêu nhỏ.
• T2, là sự chuyển đổi không có kế hoạch từ lưới điện được kết nối sang chế độ đảo trạng thái ổn định. Điều này tương tự như hoạt động của nguồn điện liên tục trong trung tâm dữ liệu và thường được sử dụng khi lưới điện chính bị sự cố. Lưới điện siêu nhỏ ngắt kết nối liền mạch và hoạt động như một mạng điện độc lập.
• T3, đề cập đến việc kết nối lại đảo ở trạng thái ổn định với lưới điện. Đây là một quy trình kỹ thuật phức tạp với một máy phát ‘tạo lưới’ trên lưới điện siêu nhỏ cảm nhận tần số và góc pha của nguồn điện lưới và khớp chính xác lưới điện siêu nhỏ với lưới điện chính trước khi kết nối lại.
• T4, là khởi đầu màu đen ở chế độ đảo trạng thái ổn định. Trong trường hợp này, lưới điện siêu nhỏ đã ngừng hoạt động và phải được cách ly khỏi lưới điện tiện ích cũng như khởi động lại ở chế độ đảo. Tình huống này có thể xảy ra do mất điện đột xuất mà bộ điều khiển lưới điện siêu nhỏ không thể xử lý bằng cách sử dụng chuyển tiếp ổn định T2 hoặc có thể cần thiết nếu đảo không có đủ nguồn điện hoặc dự trữ năng lượng để tiếp tục cung cấp tất cả các phụ tải và phải tắt tất cả tải không cần thiết trước khi đưa máy phát điện vào hoạt động. Ngoài ra, mọi BESS trên lưới điện siêu nhỏ ít nhất phải được sạc lại một phần trước khi được kết nối lại.

Triển khai lưới điện siêu nhỏ

Hầu như có nhiều sự kết hợp giữa DER và tải như lưới điện siêu nhỏ, nhưng bộ điều khiển và thiết bị đóng cắt tự động là những thành phần phổ biến. Trong các lưới điện siêu nhỏ như minh họa trong Hình 1 ở trên, chúng thường được tách thành phòng điều khiển tập trung, thiết bị đóng cắt phân tán cho DER và phụ tải, còn đối với các thiết kế nối lưới, một trạm biến áp đóng vai trò là thiết bị chuyển mạch giữa lưới điện siêu nhỏ và lưới điện tiện ích.

Bộ điều khiển lưới điện siêu nhỏ cần thông tin và để tối đa hóa khả năng phục hồi cũng như tính bền vững, chúng cần phải nhanh chóng. Bộ điều khiển sử dụng mạng lưới cảm biến để giám sát hoạt động của DER và tải theo thời gian thực. Đối với các lưới điện siêu nhỏ được kết nối với lưới, bộ điều khiển cũng giám sát trạng thái của lưới điện cục bộ. Nếu có bất kỳ sự bất thường nào xảy ra, bộ điều khiển sẽ phản hồi theo mili giây và gửi lệnh đến DER, tải hoặc thiết bị đóng cắt liên quan. Kích thước thiết bị đóng cắt dao động từ vài kW đến nhiều MW và cần đáp ứng nhu cầu của bộ điều khiển trong vài mili giây nếu không sẽ có nguy cơ xảy ra tình trạng lỗi nghiêm trọng. Một số thiết bị đóng cắt có bộ ngắt mạch thông minh hoạt động tự động để cung cấp thêm lớp bảo vệ.

Đối với các hệ thống lắp đặt nhỏ hơn, bộ điều khiển và thiết bị đóng cắt có thể được kết hợp thành một thiết bị duy nhất, đôi khi được gọi là trung tâm điều khiển năng lượng (ECC). ECC có sẵn được nối dây sẵn, lắp ráp và thử nghiệm tại nhà máy. ECC đơn giản hóa và tăng tốc độ lắp đặt lưới điện siêu nhỏ và có thể quản lý nhiều nguồn năng lượng, bao gồm nguồn điện lưới và DER với phụ tải được ưu tiên. Ví dụ: Schneider Electric cung cấp dòng ECC 1600/2500 ECC cho lưới điện siêu nhỏ quy mô tòa nhà (Hình 3). Một số tính năng của dòng ECC 1600/2500 bao gồm:

• Có thể cấu hình để đặt hàng với mức công suất từ 100 đến 750 kW và có thể được tối ưu hóa cho các tòa nhà hiện có hoặc mới hoạt động với nhiều DER như máy phát điện PV, BESS, gió, khí đốt và diesel
• Bộ điều khiển cho phép khả năng phục hồi trong thời gian ngừng hoạt động, bao gồm cả việc sử dụng PV với tài nguyên cố định như máy phát dự phòng hoặc BESS
• Đo lường thông minh tự động cung cấp thông tin chuyên sâu về chất lượng điện năng, mức sử dụng năng lượng và sản xuất DER
• Thiết bị đóng cắt có bus phân phối điện 1.600 đến 2.500 A
• Phân tích dựa trên đám mây để tối đa hóa khả năng phục hồi và lợi tức đầu tư từ DERs

Năng lượng an toàn và bảo mật

An ninh mạng là một khía cạnh quan trọng của an ninh năng lượng và khả năng phục hồi. Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) định nghĩa an ninh năng lượng là “sự sẵn có liên tục của các nguồn năng lượng ở mức giá phải chăng”. Lưới điện siêu nhỏ có thể góp phần đáng kể vào việc đảm bảo nguồn cung cấp năng lượng chi phí thấp, an toàn và linh hoạt.

Truyền thông là một yếu tố thiết yếu của microgrids. Điều này có nghĩa là liên lạc với đám mây và có thể với lưới tiện ích cục bộ để tối ưu hóa hiệu suất. Ngoài ra, các DER và tải khác nhau tạo nên một lưới điện siêu nhỏ điển hình đến từ các nhà sản xuất khác nhau và sử dụng các giao thức và công nghệ truyền thông không đồng nhất. Kết nối Internet và các công nghệ không dây như Wifi có ở hầu hết các lưới điện siêu nhỏ và có thể cần thiết để mang lại lợi ích tối đa. Chúng cũng hỗ trợ các chức năng phụ trợ như thu thập dự báo thời tiết và giá nhiên liệu và năng lượng theo thời gian thực.

Việc đảm bảo an ninh mạng rất phức tạp. Ngoài phần cứng bảo mật, các chính sách, quy trình và con người cần phải giải quyết các lỗ hổng mạng có thể cho phép kẻ tấn công truy cập vào các mạng và dữ liệu nhạy cảm, thậm chí thao túng phần mềm điều khiển, dẫn đến hoạt động của lưới điện siêu nhỏ bị hỏng. Những kẻ khủng bố chỉ là một mối quan tâm; cũng có những đối thủ cạnh tranh hoặc những nhân viên vô đạo đức để xem xét. Có thể xảy ra lỗi của người vận hành, mạng có thể có những lỗ hổng không xác định do phần mềm lỗi thời,… (Hình 4). An ninh mạng không thể là vấn đề muộn màng. Nó phải được thiết kế vào tất cả các khía cạnh của phần cứng, phần mềm và quy trình của lưới điện siêu nhỏ ngay từ đầu để có hiệu quả.

Kết luận

Lưới điện siêu nhỏ tích hợp nhiều DER và tải vào một hệ thống duy nhất để tối đa hóa tính bền vững và khả năng phục hồi năng lượng. Một số kiến trúc lưới điện siêu nhỏ có thể được sử dụng để hỗ trợ các nhu cầu kết nối và năng lượng cụ thể. Số lượng lưới điện siêu nhỏ ngày càng tăng và sự thâm nhập ngày càng tăng của DER đã dẫn đến sự phát triển trong tiêu chuẩn kết nối IEEE 1547 và đang thúc đẩy sự tập trung ngày càng tăng vào an ninh mạng lưới điện siêu nhỏ.

BÙI QUANG MẠNH

(theo digikey)