Với công suất 13 MW, các tuabin gió Haliade-X mà GE đang cung cấp cho Trang trại gió Dogger Bank của Vương quốc Anh hiện là công suất mạnh nhất trên thế giới. Tuy nhiên, các tuabin thế hệ tiếp theo sẽ đẩy công suất lên 15, 16 hoặc thậm chí 20 MW.
Điều đó có nghĩa là chúng ta đang vượt qua ngưỡng mà các hệ thống điện áp thấp (LV) có thể phải gặp khó khăn với các thiết bị bổ trợ như máy phát điện, bộ chuyển đổi và cáp. Điều này đang thúc đẩy xu hướng sử dụng các bộ chuyển đổi điện áp trung bình (MV) có thể mang lại sự kết hợp giữa hiệu suất, độ tin cậy và chi phí năng lượng bình đẳng (LCOE) được yêu cầu bởi các tuabin gió ngoài khơi công suất cao.
LV chắc chắn là một công nghệ đơn giản và hiệu quả để sử dụng ở các mức công suất thấp hơn. Nó cũng khả thi về mặt kỹ thuật ở các quyền lực cao hơn. Thách thức là dòng điện cao liên quan yêu cầu nhiều mô-đun bộ chuyển đổi được kết nối song song. Sau đó, không gian mà hệ thống chuyển đổi chiếm dụng sẽ tăng lên tương ứng với công suất của nó. Điều này có tác động kích thích trong việc tăng đáng kể kích thước và trọng lượng của ống tuabin, cũng như làm phức tạp thêm độ ổn định cơ học và hậu cần trong quá trình lắp đặt tuabin.
Trong các ứng dụng điện công nghiệp, ai cũng biết rằng LV tiết kiệm chi phí nhất ở mức công suất thấp, trong khi MV vượt trội hơn ở mức công suất cao. Điều tương tự cũng áp dụng cho các tuabin gió. Khi sức mạnh của chúng tăng lên, các bộ chuyển đổi MV trở nên cạnh tranh hơn. Điện áp cao hơn có nghĩa là dòng điện trong hệ thống truyền động điện thấp hơn, do đó cho phép sử dụng cáp nhỏ hơn cùng với dấu chân bộ chuyển đổi nhỏ hơn và trọng lượng ít hơn. Ngoài ra, các bộ chuyển đổi MV còn tăng hiệu suất tổng thể của tuabin thông qua việc sử dụng công nghệ bán dẫn IGCT (tích hợp cổng chuyển đổi thyristor).
Mặc dù những lợi thế kỹ thuật của bộ chuyển đổi MV là rõ ràng, nhưng vẫn còn những thách thức đối với việc áp dụng rộng rãi chúng. Điều đầu tiên đơn giản là chỉ có một động lực trong năng lượng tái tạo ngày nay: làm thế nào để làm cho nó rẻ hơn năng lượng thông thường. Điều đó được thể hiện ở việc gia tăng áp lực về giá đối với các nhà sản xuất tuabin và các nhà cung cấp của họ. Mọi người đều nói về tổng chi phí sở hữu (TCO), và đó tất nhiên là một yếu tố quan trọng cần cân nhắc. Tuy nhiên, chi phí vốn ban đầu thường là yếu tố tạo nên cân nhắc.
Việc chứng minh sức hấp dẫn tài chính của công nghệ MV phải tính đến chi phí đầu tư cho hệ thống truyền động điện hoàn chỉnh. Điều này bao gồm bộ chuyển đổi, thiết bị đóng cắt, hệ thống làm mát, điều khiển và các thiết bị phụ trợ khác. Các chi phí liên quan khác, chẳng hạn như hệ thống cáp và tác động của kích thước và trọng lượng bộ chuyển đổi cũng cần được đưa vào tính toán. Cuối cùng, điều này đòi hỏi sự tập trung cụ thể vào kỹ thuật giá trị để giảm chi phí nhằm giúp khách hàng duy trì tính cạnh tranh.
Thách thức thứ hai là nhu cầu về độ tin cậy đặc biệt. Ví dụ, trong một trang trại điện gió truyền thống gồm 20 tuabin, mỗi tuabin có công suất 3,5 MW, sự cố của một tổ máy dẫn đến mất 5% sản lượng. Nhưng nếu trang trại gió đó được thay thế bằng năm tuabin lớn, thì một tuabin hoạt động ngoại tuyến sẽ dẫn đến tổn thất phát điện không thể chấp nhận được là 20%. Đồng thời, các tua-bin siêu lớn có xu hướng được lắp đặt ở những khu vực xa hơn, nơi thậm chí không thể tiếp cận để bảo trì trong sáu tháng trong năm.
Bộ chuyển đổi MV có một lợi thế cố hữu về độ tin cậy, vì chúng sử dụng ít thành phần hơn so với các mẫu LV. Các nhà sản xuất đang làm việc để đưa điều này lên một tầm cao mới với việc tập trung vào thiết kế để đảm bảo độ tin cậy. Một ví dụ nhỏ là việc sử dụng các thành phần tự phục hồi, chẳng hạn như tụ điện có thể khôi phục lại đặc tính cách điện của chúng sau khi xảy ra sự cố. Bộ mã hóa và cầu chì cũng là những ví dụ về các thành phần có xu hướng hỏng do lão hóa. Bộ chuyển đổi MV có thể được thiết kế để hoạt động mà không cần bộ mã hóa, thay vào đó sử dụng điều khiển phần mềm. Ngoài ra, cầu chì có thể được loại bỏ bằng cách vận hành với các thuật toán điều khiển cầu dao tiên tiến.
Độ tin cậy đảm bảo cuối cùng phụ thuộc vào thử nghiệm rộng rãi trong điều kiện thực tế và việc thu thập dữ liệu lớn. Thông qua kỹ thuật số hóa, giờ đây có thể đo lường các khía cạnh chưa từng được đo trước đây, chẳng hạn như sự thay đổi nhiệt độ và tốc độ chuyển mạch của ngay cả những thành phần nhỏ nhất. Thông tin chi tiết thu được từ thử nghiệm và kinh nghiệm thực địa đang được tích hợp vào phân tích tích hợp cho bộ chuyển đổi MV làm cơ sở cho việc theo dõi tình trạng từ xa. Lợi ích là mọi vấn đề tiềm ẩn về độ tin cậy đều có thể được phát hiện ở giai đoạn rất sớm, cho phép người vận hành tuabin gió thực hiện hành động phòng ngừa trước khi nó gây ra sự cố.
Trong khi bộ chuyển đổi MV là công nghệ tương lai cho các tuabin gió ngoài khơi lớn nhất, chúng đã là một đề xuất thương mại được thiết lập tốt. Trên thực tế, ABB có hơn 200 chiếc đang hoạt động ở Biển Bắc, Baltic và ngoài khơi Trung Quốc. Đội tàu này sẽ phát triển đáng kể trong hai năm tới với việc triển khai 95 đơn vị cho GE Renewable Energy để lắp đặt tại Dogger Bank Wind Farm. Chúng sẽ cho phép các tuabin 220 m sản xuất tổng cộng 1,2 GW trong giai đoạn đầu.
Bộ chuyển đổi LV sẽ tiếp tục thống trị phần lớn các cài đặt, đặc biệt là trên bờ. Ngược lại, các trình chuyển đổi MV sẽ luôn luôn là một sản phẩm thích hợp và có khối lượng tương đối thấp. Tuy nhiên, trong thị trường ngách rất quan trọng mà các tuabin gió ngoài khơi lớn nhất chiếm giữ, MV chắc chắn sẽ nổi lên như một công nghệ được lựa chọn.
Biên dịch từ Windpower
