Cơ sở lựa chọn thiết bị đóng cắt cho các dự án năng lượng tái tạo là gì?

Yêu cầu về điện áp, tải và hiệu suất trong điều kiện sự cố đối với thiết bị đóng cắt năng lượng tái tạo

Phù hợp các cấp điện áp trung thế/cao thế với các điểm kết nối lưới điện và quy mô dự án

Việc lựa chọn giữa điện áp trung thế (MV: khoảng 1 kV đến 52 kV) và điện áp cao (HV: trên 52 kV) thực chất phụ thuộc vào yêu cầu của lưới điện và quy mô dự án. Các trạm điện mặt trời quy mô lớn thường được kết nối ở mức điện áp khoảng 34,5 kV, trong khi các dự án điện gió quy mô nhỏ hơn tại cộng đồng thường hoạt động tốt với điện áp từ 12 kV đến 15 kV. Việc lựa chọn sai có thể dẫn đến các vấn đề như đánh thủng cách điện hoặc công suất thiết bị bị lãng phí. Ví dụ, một trang trại điện mặt trời khổng lồ công suất 100 MW kết nối với đường dây truyền tải chính sẽ cần thiết bị đóng cắt điện áp cao có cấp điện áp định mức ít nhất là 36 kV. Ngược lại, những tấm pin mặt trời lắp trên mái nhà nhỏ lại hoạt động rất tốt với thiết bị điện áp trung thế lên đến 15 kV. Hầu hết kỹ sư đều tham khảo tiêu chuẩn IEEE C37.20.2 để xác định các vấn đề tương thích này trong các hệ thống năng lượng tái tạo khác nhau.

Xác định dòng định mức và khả năng chịu sự cố cho nguồn phát điện gián đoạn, không cân bằng

Việc phát điện từ nguồn tái tạo làm xuất hiện các đặc tuyến tải biến đổi và dòng ngắn mạch không đối xứng, đòi hỏi việc giảm công suất định mức một cách nghiêm ngặt cũng như khả năng chịu đựng sự cố mạnh mẽ. Thiết bị đóng cắt phải đảm bảo:

• Dòng điện liên tục : 125% công suất đỉnh của bộ nghịch lưu đối với hệ thống năng lượng mặt trời; 130% công suất cực đại của tuabin đối với hệ thống năng lượng gió
• Khả năng chịu sự cố ngắn mạch : Tối thiểu 40 kA trong 3 giây để xử lý các đợt quá tải trong trường hợp nhiễu loạn lưới điện

Các tiêu chuẩn kết nối lưới điện củng cố những yêu cầu này: IEEE 1547 quy định khả năng chịu quá tải tạm thời ở mức 150% đối với các hệ thống quang điện (PV), trong khi các ứng dụng điện gió đòi hỏi khả năng chịu tải chu kỳ ở mức 200% để đáp ứng quán tính của tuabin và các biến thiên mô-men xoắn do gió giật gây ra.

Các loại thiết bị đóng cắt được tối ưu hóa theo ứng dụng cho tích hợp năng lượng mặt trời, điện gió và lưu trữ năng lượng

Thiết bị đóng cắt trung thế kiểu tủ kim loại bọc, kiểu trạm biến áp khí cách điện (GIS) và không sử dụng khí SF6 cho các trang trại điện mặt trời và trạm biến áp phụ điện gió

Các dự án năng lượng tái tạo quy mô lớn cần thiết bị đóng cắt điện áp trung thế có thể bảo trì dễ dàng, chiếm ít diện tích hơn và đảm bảo an toàn trong nhiều môi trường khác nhau. Phần lớn các trang trại điện mặt trời lựa chọn thiết kế dạng tủ kim loại bao bọc (metal clad) do tính chất mô-đun của chúng. Các bộ ngắt mạch có thể tháo rời cho phép kỹ thuật viên sửa chữa mà không cần tắt toàn bộ trạm biến áp, nhờ đó tiết kiệm thời gian và chi phí. Đối với các hệ thống điện gió ngoài khơi hoặc những khu vực có không gian hạn chế, thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí (GIS) trở thành lựa chọn ưu tiên. Các hệ thống này giảm yêu cầu về diện tích lắp đặt khoảng hai phần ba so với các giải pháp truyền thống, đồng thời tự nhiên chống ăn mòn do tiếp xúc với nước biển. Khi các quy định về phát thải ngày càng nghiêm ngặt trên toàn cầu, việc áp dụng các giải pháp thay thế không sử dụng SF6 đang ngày càng phổ biến. Các công ty đang chuyển sang công nghệ dập hồ quang chân không kết hợp với vật liệu cách điện rắn thay vì khí SF6 truyền thống. Thiết bị mới hoạt động hiệu quả tương đương với các sản phẩm tiền nhiệm nhưng loại bỏ hoàn toàn những lo ngại liên quan đến khí nhà kính vốn từng là vấn đề nan giải trong ngành.

Tủ điện một chiều và xoay chiều/một chiều lai cho ứng dụng lưu trữ pin và lưới điện vi mô

Các hệ thống lưu trữ năng lượng pin, hay còn gọi tắt là BESS, cần các thiết bị đóng cắt một chiều (DC) được thiết kế đặc biệt vì chúng phải đối mặt với một số vấn đề khá đặc thù. Khác với các hệ thống xoay chiều (AC), trong hệ thống một chiều không tồn tại điểm tự nhiên nào mà dòng điện giảm về bằng không; hơn nữa, các đỉnh xả nhanh còn có thể gây hư hại thiết bị. Vì lý do này, các thiết bị đóng cắt hiện đại thường tích hợp các cuộn dây thổi hồ quang từ tính và buồng dập hồ quang mạnh hơn, cho phép ngắt sự cố một chiều gần như tức thời — thường chỉ trong vài mili giây. Khi xem xét các giải pháp thiết bị đóng cắt lai AC/DC, điểm nổi bật của chúng nằm ở khả năng bảo vệ toàn bộ thành phần đồng thời chuyển mạch linh hoạt giữa các nguồn điện khác nhau trong cấu hình lưới điện vi mô (microgrid). Hãy tưởng tượng một hệ thống kết hợp tấm pin mặt trời, pin lưu trữ và máy phát điện dự phòng truyền thống — loại thiết bị này xử lý mọi tình huống một cách trơn tru. Việc áp dụng phương thức ghép nối một chiều (DC coupling) thuần túy thực tế giúp giảm tổn thất năng lượng trong quá trình chuyển đổi và cho phép hệ thống vận hành độc lập khi lưới điện chính bị mất. Khả năng này không chỉ là một thực hành tốt mà ngày càng trở nên bắt buộc nhằm đáp ứng các quy chuẩn như UL 1741 SA và IEEE 1547-2018, vốn ngày càng quan trọng hơn khi ngày càng nhiều cơ sở hướng tới mục tiêu độc lập năng lượng.

Độ bền môi trường và thiết kế sẵn sàng cho điều khiển từ xa dành cho các trang trại năng lượng tái tạo

Khả năng chống ăn mòn, vỏ bọc đạt chuẩn IP65+, và hệ thống quản lý nhiệt thích ứng trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt

Thiết bị đóng cắt tại các trang trại năng lượng tái tạo phải đối mặt với những thách thức nghiêm trọng do điều kiện khắc nghiệt. Các trang trại gió ven biển chịu ảnh hưởng của hiện tượng ăn mòn do muối bám, trong khi các hệ thống pin mặt trời ở sa mạc phải chống chọi với sự mài mòn do cát và độ ẩm có thể vượt quá 90%. Theo nghiên cứu của AMPP năm 2023, khoảng một phần tư tổng số sự cố điện xảy ra do hiện tượng ăn mòn trong những môi trường khắc nghiệt này. Để khắc phục vấn đề này, các tủ bao che đạt chuẩn IP66 ba lớp kín giúp ngăn bụi và nước xâm nhập vào bên trong trong suốt các hiện tượng thời tiết cực đoan như mùa mưa gió hay bão cát. Trong những điều kiện còn khắc nghiệt hơn, các nhà sản xuất chuyển sang sử dụng thép không gỉ loại 316L hoặc hợp kim niken — những vật liệu đã được chứng nhận theo tiêu chuẩn ISO 12944 C5-M dành cho các khu vực tiếp xúc với hóa chất ăn mòn mạnh hoặc môi trường biển. Hệ thống quản lý nhiệt cũng đóng vai trò then chốt trong bối cảnh này. Các hệ thống này sử dụng bộ gia nhiệt PTC và quạt điều khiển tốc độ biến thiên nhằm đảm bảo thiết bị vận hành ổn định trong dải nhiệt độ cực rộng, từ âm 40 độ C đến dương 55 độ C. Những hệ thống này giúp ngăn ngừa hiện tượng phóng điện hồ quang nguy hiểm do ngưng tụ gây ra khi nhiệt độ dao động mạnh vào ban đêm — hiện tượng đã được kiểm tra và ghi nhận trong tiêu chuẩn IEC TR 63397:2022.

Sẵn sàng kỹ thuật số: Thiết bị đóng cắt thông minh cho giám sát, tự động hóa và tuân thủ lưới điện

Tích hợp IEC 61850, Giao thức SCADA (Modbus/DNP3) và Chẩn đoán dựa trên thiết bị biên

Thiết bị đóng cắt đóng vai trò then chốt trong các hệ thống năng lượng tái tạo hiện đại, không chỉ đơn thuần là một điểm ngắt mạch thông thường. Khi thiết bị hỗ trợ chuẩn IEC 61850 gốc, nó cho phép các rơ-le bảo vệ, cảm biến và bộ điều khiển của nhiều thương hiệu khác nhau hoạt động ăn khớp với nhau một cách liền mạch. Điều này giúp việc lắp đặt trở nên dễ dàng hơn và đẩy nhanh quá trình kiểm tra sự tuân thủ các tiêu chuẩn kết nối lưới điện. Hầu hết các hệ thống ngày nay còn kết nối với các nền tảng SCADA thông qua các giao thức như Modbus TCP và DNP3. Những kết nối này cho phép người vận hành giám sát và điều khiển mọi thứ từ xa, đồng thời đảm bảo an toàn dữ liệu trên toàn bộ mạng lưới. Các bộ xử lý thông minh được tích hợp sẵn trong những thiết bị này có khả năng kiểm tra mức dòng điện, giá trị điện áp, biến đổi nhiệt độ và thậm chí phát hiện cục bộ hiện tượng phóng điện tại chỗ. Chúng phát hiện sự cố trong vòng chưa đến 20 mili giây — khoảng thời gian cực kỳ quan trọng khi phản ứng nhanh trước các sự kiện cô lập (islanding). Các công cụ bảo trì dự đoán nâng cao phân tích hiệu suất của các thành phần theo thời gian nhằm dự báo thời điểm các linh kiện có thể gặp sự cố. Theo Báo cáo Phân tích Lưới Điện Năng lượng năm 2023, phương pháp này giúp giảm gần một nửa thời gian ngừng hoạt động ngoài kế hoạch. Ngoài ra, còn có thêm logic bảo vệ thích ứng giúp duy trì ổn định hệ thống bằng cách tự động điều chỉnh cài đặt khi nguồn năng lượng tái tạo dao động. Nhờ đó, hệ thống luôn đáp ứng được các yêu cầu về khả năng chịu đựng sụt giảm điện áp thấp (low voltage ride through) và giới hạn méo hài (harmonic distortion) mà không cần can thiệp thủ công.

Câu hỏi thường gặp

Các mức điện áp nào là phổ biến cho thiết bị đóng cắt năng lượng tái tạo?

Điện áp trung thế (MV) thường dao động từ 1 kV đến 52 kV và được sử dụng phổ biến cho các hệ thống quy mô nhỏ hơn, trong khi điện áp cao (HV) trên 52 kV thường được yêu cầu cho các cơ sở quy mô lớn.

Thiết bị đóng cắt hỗ trợ các hệ thống lưu trữ năng lượng pin như thế nào?

Thiết bị đóng cắt một chiều (DC) được sử dụng trong các Hệ thống Lưu trữ Năng lượng Pin (BESS) xử lý những thách thức đặc thù như các đỉnh xả nhanh nhờ tích hợp các tính năng như cuộn dây thổi từ và buồng dập hồ quang nhằm xử lý sự cố một cách nhanh chóng.

Các lựa chọn thay thế không sử dụng khí SF6 trong thiết bị đóng cắt là gì?

Xu hướng gần đây đang chuyển sang công nghệ ngắt mạch chân không kết hợp với vật liệu cách điện rắn, loại bỏ nhu cầu sử dụng khí SF6 – một loại khí gây hiệu ứng nhà kính – trong khi vẫn duy trì hiệu suất tương đương.

Các điều kiện môi trường ảnh hưởng đến thiết bị đóng cắt tại các địa điểm năng lượng tái tạo như thế nào?

Thiết bị đóng cắt tại các trang trại năng lượng tái tạo có thể gặp phải các vấn đề do ăn mòn bởi hơi muối, mài mòn bởi cát và nhiệt độ cực đoan. Các giải pháp bao gồm sử dụng vỏ bọc chắc chắn và hệ thống quản lý nhiệt thích ứng nhằm đảm bảo độ bền.