Việc kết nối với lưới điện so với vi mạng điện độc lập: Những khác biệt chính và yêu cầu về thiết bị

Các lưới vi mô có hai chế độ vận hành cơ bản: nối lưới và độc lập với lưới. Hai chế độ này khác biệt rõ ràng về logic điều khiển, lựa chọn thiết bị và cài đặt bảo vệ. Việc hiểu rõ những khác biệt này là nền tảng để lựa chọn thiết bị trong giai đoạn đầu của một dự án.

1. Cách thức vận hành của hai loại lưới vi mô

Trong chế độ nối lưới, lưới vi mô được kết nối với lưới điện chính bên ngoài thông qua điểm ghép nối chung (PCC). Lưới điện chính chịu trách nhiệm duy trì ổn định điện áp và tần số. Các máy phát phân tán và hệ thống lưu trữ năng lượng bên trong lưới vi mô hoạt động theo lưới và chủ yếu phối hợp thay vì hỗ trợ. Lưới điện bên ngoài đóng vai trò như một nguồn điện áp và nguồn tần số rất lớn, đồng thời hấp thụ các dao động từ lưới vi mô.

Trong chế độ vận hành ngoài lưới, điểm nối chung (PCC) bị ngắt kết nối và lưới vi mô trở thành một hệ thống điện độc lập nhỏ. Không có nguồn bên ngoài nào để dựa vào. Các nguồn năng lượng trong lưới vi mô — như hệ thống lưu trữ năng lượng, pin quang điện (PV), máy phát diesel và các nguồn khác — phải tự thiết lập điện áp và tần số, đồng thời liên tục cân bằng giữa công suất phát và phụ tải. Chế độ điều khiển chuyển từ chế độ bám theo lưới sang chế độ chủ động hỗ trợ, do đó độ khó tăng đáng kể.

Việc chuyển đổi giữa hai chế độ được chia thành chuyển đổi có kế hoạch và chuyển đổi không có kế hoạch. Chuyển đổi có kế hoạch có thời gian chuẩn bị: đầu tiên điều chỉnh phát điện nội bộ và tải, sau đó vi mạng có thể ngắt kết nối một cách trơn tru. Chuyển đổi không có kế hoạch thường do sự cố lưới điện gây ra. Sau khi phát hiện bất thường, bộ điều khiển phải nhanh chóng ngắt kết nối và để nguồn lưu trữ năng lượng hoặc nguồn dự phòng đảm nhận tải, đồng thời cắt bớt một số tải không quan trọng nhằm ngăn hệ thống nhỏ bị quá tải và sụp đổ. Khi chuyển ngược lại từ chế độ vận hành độc lập (off-grid) sang chế độ nối lưới (grid-connected), trước tiên phải hoàn tất việc đồng bộ điện áp, tần số và pha. Nếu không, dòng điện xung sẽ xuất hiện ngay lúc đóng mạch và có thể làm hư hại thiết bị.

2. Các thách thức kỹ thuật khi vận hành độc lập (off-grid) trong trường hợp mất điện

Sau khi điện lưới bị mất và hệ thống chuyển sang vận hành độc lập (off-grid), thay đổi lớn nhất là quán tính của hệ thống biến mất lưới điện chính có nhiều máy quay, vốn tự nhiên cung cấp quán tính và có thể làm dịu những thay đổi tần số do các biến động tải đột ngột gây ra. Một lưới vi mô hoạt động độc lập (off-grid) có quy mô nhỏ, và các thiết bị điện tử công suất như bộ chuyển đổi lưu trữ năng lượng không thể cung cấp quán tính vật lý tương tự. Tần số và điện áp phản ứng nhanh hơn và với biên độ lớn hơn trước các nhiễu loạn.

Điều này dẫn đến ba vấn đề cụ thể. Thứ nhất, điều chỉnh tần số và điện áp nhanh . Ở chế độ off-grid, bộ chuyển đổi lưu trữ năng lượng cần chuyển từ chế độ theo lưới (grid-following) sang chế độ tạo lưới (grid-forming) và chủ động thiết lập chuẩn điện áp và tần số. Việc điều khiển trong trường hợp này khó hơn nhiều so với chế độ nối lưới. Thứ hai, tính mượt mà của việc chuyển đổi ngoài kế hoạch . Nếu điện áp hoặc tần số giảm quá mức trong quá trình chuyển đổi, các tải nhạy cảm có thể ngắt kết nối hoặc bị hư hại. Do đó, điều khiển chuyển đổi cần xác định trạng thái và thay đổi chiến lược trong vòng vài miligiây. Thứ ba, sự thay đổi trong hệ thống nối đất . Khi kết nối với lưới điện, việc nối đất được thực hiện bởi lưới điện chính. Sau khi ngắt kết nối khỏi lưới, phương pháp nối đất có thể thay đổi, điều này trực tiếp ảnh hưởng đến đường đi của dòng sự cố và độ chính xác của hoạt động bảo vệ.

3. Các yêu cầu khác nhau đối với máy biến áp, thiết bị đóng cắt và hệ thống bảo vệ

Máy biến đổi

Trong kiến trúc nối lưới, dung lượng biến áp chủ yếu được xác định bởi công suất trao đổi giữa lưới vi mô và lưới điện, đồng thời nhóm véc-tơ và tỷ số biến áp được chọn sao cho phù hợp với điện áp lưới. Trong kiến trúc không nối lưới, biến áp còn phải duy trì ổn định điện áp dưới điều kiện tải thấp và tải xung kích, do đó đặt ra các yêu cầu bổ sung đối với khả năng điều chỉnh điện áp và thiết kế trở kháng. Khi dung lượng ngắn mạch bị giới hạn, trở kháng biến áp cũng góp phần hạn chế dòng sự cố. Các biến áp phân phối và biến áp kiểu khô của Zhongmeng có thể điều chỉnh nhóm véc-tơ cũng như cấu hình điều chỉnh điện áp theo dung lượng lưới vi mô và đặc tính tải, từ đó thích ứng với các ưu tiên khác nhau của hai kiến trúc này.

Máy chuyển đổi

Ranh giới giữa chế độ vận hành nối lưới và chế độ vận hành độc lập thường được xác định tại điểm kết nối lưới (PCC). Công tắc tại vị trí này cần có khả năng ngắt theo cả hai chiều: nó phải cắt nhanh khi lưới điện gặp sự cố nhằm ngăn vi mạng cấp điện trở lại lưới bị sự cố, đồng thời cũng phải mở một cách đáng tin cậy khi cần chuyển sang chế độ vận hành độc lập. Thiết bị đóng cắt cao áp và hạ áp cùng thiết bị buồng lắp ráp sẵn của Zhongmeng được lắp ráp và kiểm tra trước tại nhà máy. Tại hiện trường, chỉ cần nối dây dẫn, phù hợp với các dự án vi mạng yêu cầu triển khai nhanh.

Hệ thống Bảo vệ

Đây là khu vực có sự khác biệt lớn nhất giữa hai kiến trúc. Trong chế độ vận hành nối lưới, dòng sự cố chủ yếu do lưới điện chính cung cấp và mức dòng ngắn mạch tương đối cao. Sau khi chuyển sang chế độ vận hành độc lập (off-grid), dòng ngắn mạch chỉ do các nguồn phân tán bên trong lưới vi mô cung cấp, có thể chỉ bằng một phần nhỏ giá trị khi nối lưới. Nếu các thông số bảo vệ vẫn được thiết lập cho điều kiện nối lưới, rơ-le có thể không phát hiện được sự cố ở chế độ độc lập và không hoạt động. Do đó, hệ thống bảo vệ phải có khả năng thích ứng trong cả hai chế độ, hoặc ít nhất phải có thể chuyển đổi giữa các nhóm thông số bảo vệ khi chế độ thay đổi. Giao diện lưới cũng cần bảo vệ hai chiều để bao quát các sự cố xảy ra cả ở phía lưới điện lẫn phía lưới vi mô. Các thiết bị bảo vệ và điều khiển của Zhongmeng có thể tích hợp với tủ đóng cắt và máy biến áp thành một gói giải pháp hoàn chỉnh, giảm thiểu rủi ro mất phối hợp giữa các thiết bị từ các nhà cung cấp khác nhau.

4. Các vấn đề về điện áp, tần số và biến động tải trong các hệ thống ngoài lưới

Ở chế độ ngoài lưới, điện áp và tần số không còn được hỗ trợ bởi lưới điện chính. Chúng được điều chỉnh theo thời gian thực bởi các nguồn điều khiển chính, chẳng hạn như bộ chuyển đổi lưu trữ năng lượng hoặc máy phát điện diesel. Mục tiêu vận hành thông thường là duy trì tần số gần 50 Hz và độ lệch điện áp trong phạm vi chấp nhận được đối với tải. Tuy nhiên, trong vận hành thực tế, sự thay đổi đầu ra của pin quang điện (PV) cũng như việc khởi động và dừng các tải công suất lớn đều gây ra nhiễu.

Biến thiên tải là phép kiểm tra trực tiếp nhất đối với hệ thống ngoài lưới. Khi một động cơ tương đối lớn khởi động, điện áp hệ thống có thể giảm mạnh ngay lập tức. Khi công suất đầu ra từ pin mặt trời giảm đột ngột do mây che phủ, tần số có thể tăng lên. Điều khiển ngoài lưới phải duy trì ổn định dưới các nhiễu loạn liên tục như vậy. Đồng thời, hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin phải sạc và xả điện nhanh chóng nhằm làm dịu các dao động, và khi cần thiết, phải cắt bớt một số tải không quan trọng theo thứ tự ưu tiên. Các tiêu chuẩn hiện đã yêu cầu thời gian chuyển đổi từ chế độ ngoài lưới sang chế độ nối lưới không vượt quá 10 ms, tuy nhiên điều này đặt ra yêu cầu rất cao về tính nhất quán của tốc độ phản hồi từ bộ điều khiển và thiết bị đóng cắt.

5. Các thông số điện cần xác nhận ở giai đoạn đầu của dự án

Các thông số ở giai đoạn đầu càng rõ ràng thì mức độ phải làm lại trong việc lựa chọn thiết bị và thiết lập bảo vệ càng thấp. Các thông số sau đây cần được xác nhận trước tiên:

Mức dòng ngắn mạch. Dòng điện ngắn mạch cực đại và cực tiểu phải được xác định riêng biệt cho điều kiện nối lưới và điều kiện vận hành độc lập. Trong chế độ nối lưới, các giá trị này do lưới điện và các nguồn phân tán cùng cung cấp. Trong chế độ vận hành độc lập, chúng chỉ do các nguồn phân tán cung cấp. Hai giá trị này có thể chênh lệch nhau vài lần. Đây là cơ sở trực tiếp để lựa chọn khả năng cắt của thiết bị đóng cắt và thiết lập các giá trị bảo vệ.

Phương pháp nối đất. Các phương pháp nối đất phía lưới điện và phía lưới vi mô cần được phối hợp với nhau. Phương pháp nối đất điểm trung tính quyết định độ lớn và đường đi của dòng sự cố chạm đất một pha, đồng thời cũng ảnh hưởng đến việc lựa chọn nhóm véc-tơ máy biến áp. Sau khi chuyển sang chế độ vận hành độc lập, điều kiện nối đất có thể thay đổi; do đó, bố trí nối đất trước và sau khi chuyển đổi cần được xác định rõ ngay từ giai đoạn thiết kế.

Thông số máy biến áp. Các thông số này bao gồm dung lượng định mức, tỷ số điện áp, nhóm véc-tơ, điện áp ngắn mạch và phương pháp điều chỉnh điện áp. Dung lượng có thể được chọn dựa trên công suất trao đổi liên tục cực đại giữa lưới vi mô và lưới điện bên ngoài; đồng thời cũng cần kiểm tra khả năng khởi động các tải gây xung trong chế độ vận hành độc lập (off-grid).

Đặc tính sóng hài. Cần biết trước phổ sóng hài, bậc sóng hài và hàm lượng sóng hài của bộ nghịch lưu cũng như các tải phi tuyến. Sóng hài ảnh hưởng đến chất lượng điện năng và có thể gây tăng nhiệt thêm cho máy biến áp hoặc cộng hưởng với tụ điện. Khi lựa chọn, cần đảm bảo khả năng chịu đựng sóng hài tương ứng hoặc áp dụng các biện pháp giảm thiểu thích hợp.

Dải tần số và điện áp cho phép. Cần xác định rõ giới hạn vận hành ở cả hai trạng thái nối lưới và vận hành độc lập (off-grid), cũng như các độ lệch quá độ cho phép trong quá trình chuyển đổi. Các chỉ tiêu này trực tiếp quyết định chiến lược điều khiển bộ biến đổi và cài đặt bảo vệ.

Phân loại tải và tải gây xung lớn nhất. Một hệ thống ngoài lưới có dung lượng giới hạn. Cần phân biệt giữa tải quan trọng và tải không quan trọng, đồng thời xác nhận phương thức khởi động và dòng khởi động của động cơ đơn lớn nhất. Điều này xác định khả năng quá tải yêu cầu của bộ biến đổi lưu trữ năng lượng và ngưỡng chiến lược cắt giảm tải ngoài lưới.

Các điểm tích hợp sản phẩm Zhongmeng: Các thông số nêu trên cuối cùng cần được triển khai trên các thiết bị cụ thể. Máy biến áp phân phối thực hiện chuyển đổi điện áp và phối hợp trở kháng. Thiết bị đóng cắt thực hiện việc đóng/mở điểm nối lưới (PCC) và bảo vệ mạch. Thiết bị phân phối điện tùy chỉnh tích hợp máy biến áp, thiết bị đóng cắt, bảo vệ và điều khiển, cũng như giám sát vào các trạm biến áp dạng cabin sẵn sàng lắp đặt hoặc trạm biến áp kiểu đặt trên bệ, từ đó giảm thiểu sai sót trong quá trình lắp ráp tại hiện trường. Nếu dòng ngắn mạch, phương pháp nối đất, sóng hài và đặc tính tải được xác định rõ ở giai đoạn đầu của dự án, toàn bộ thiết bị có thể được thiết kế riêng phù hợp với điều kiện vận hành thực tế thay vì phải điều chỉnh thụ động các sản phẩm tiêu chuẩn.

6. Tình huống Ứng dụng

7. Câu hỏi thường gặp

Câu hỏi: Sự khác biệt chính giữa vi mạng kết nối với lưới và vi mạng hoạt động độc lập là gì?

Trả lời: Sự khác biệt chính nằm ở logic điều khiển. Ở chế độ kết nối với lưới, lưới điện chính bên ngoài cung cấp tham chiếu điện áp và tần số, còn vi mạng tuân theo lưới. Ở chế độ hoạt động độc lập, vi mạng phải tự thiết lập điện áp và tần số thông qua hệ thống lưu trữ năng lượng và máy phát điện nội bộ, do đó việc điều khiển trở nên phức tạp hơn nhiều.

Câu hỏi: Vì sao hệ thống bảo vệ lại khác nhau giữa hai kiến trúc này?

A: Mức dòng ngắn mạch khác biệt đáng kể. Ở chế độ nối lưới, lưới điện chính cung cấp dòng sự cố cao. Ở chế độ không nối lưới, chỉ các nguồn phân tán cung cấp dòng sự cố, có thể chỉ bằng một phần nhỏ giá trị ở chế độ nối lưới. Các thông số bảo vệ được thiết kế cho điều kiện nối lưới có thể không phát hiện được sự cố trong chế độ không nối lưới, do đó cần sử dụng bảo vệ thích ứng hoặc các nhóm thông số có thể chuyển đổi.

Q: Thời gian chuyển đổi từ chế độ không nối lưới sang chế độ nối lưới là bao nhiêu?

A: Các tiêu chuẩn ngành yêu cầu thời gian chuyển đổi từ chế độ không nối lưới sang chế độ nối lưới không vượt quá 10 ms. Điều này đặt ra yêu cầu rất cao về tốc độ phản hồi của bộ điều khiển và thiết bị đóng cắt, đồng thời đòi hỏi phải đồng bộ chính xác điện áp, tần số và pha trước khi tái kết nối.

Q: Máy biến áp đảm nhận vai trò gì trong một lưới điện vi mô?

A: Các máy biến áp thực hiện chuyển đổi điện áp và phối hợp trở kháng giữa lưới vi mô và lưới điện bên ngoài. Ở chế độ vận hành độc lập (off-grid), chúng cũng phải duy trì ổn định điện áp trong điều kiện tải thấp và tải đột biến. Trở kháng của máy biến áp còn có thể giúp giới hạn dòng sự cố khi dung lượng ngắn mạch bị hạn chế.

Q: Những thông số điện nào cần được xác nhận ở giai đoạn đầu của một dự án lưới vi mô?

A: Các thông số then chốt bao gồm: mức dòng ngắn mạch cho cả hai chế độ, phương pháp nối đất, thông số máy biến áp (công suất, tỷ số biến áp, nhóm véc-tơ, trở kháng), đặc tính sóng hài, dải tần số và điện áp cho phép, cũng như phân loại tải kèm theo tải đột biến lớn nhất. Việc xác nhận sớm các thông số này giúp giảm thiểu việc làm lại trong lựa chọn thiết bị và thiết lập bảo vệ.