Máy biến áp điện tử: Ứng dụng làm tăng chất lượng và sự linh hoạt lưới điện

Máy biến áp là thiết bị không thể thiếu trong mạng lưới điện của chúng ta. Các máy biến áp được lắp đặt rộng khắp các khu vực: trên cột điện, tại các trạm điện truyền tải, tại các khu công nghiệp, trong các khu dân cư,… Thật khó để tưởng tượng một thế giới không có chúng.

• Tương lai của Lưới điện tự động hóa

Trong hệ thống điện phân phối, máy biến áp thường được sử dụng để chuyển đổi điện áp  phía sơ cấp (ví dụ như 15kV hoặc 22kV) thành điện áp thứ cấp (ví dụ như 120V, 240V hoặc 480V) nhằm giảm tổn hao đường dây và giúp truyền tải điện một cách hiệu quả. Nguyên lý chuyển đổi điện áp này đã được phát minh và ứng dụng từ lúc dòng điện xoay chiều được đưa vào thực tế từ năm 1892. Đã hơn 100 năm trôi qua, nhưng công nghệ máy biến áp vẫn tồn tại và ứng dụng rộng rãi trong đời sống. Thật khó để có thể tìm một công nghệ điện tử khác tồn tại được lâu như vậy.

Tuy nhiên, đã đến chúng ta bắt đầu suy nghĩ về một thiết bị chuyển đổi điện áp mới, một thiết bị hoàn toàn khác biệt, khắc phục mọi nhược điểm của máy biến áp truyền thống. Như chúng ta đã biết, máy biến áp thường rất cồng kềnh. Chúng thường được làm mát bằng dầu, và dầu làm mát có thể bị rò rỉ cũng như việc tái chế máy biến áp cũ là rất khó khăn. Hơn nữa, máy biến áp là thiết bị điện thụ động. Chúng không được thiết kế để điều chỉnh hoạt động nhằm đáp ứng với nhu cầu tải thay đổi đột ngột. Bất cập này sẽ nhanh chóng cản trở hoạt động của lưới điện khi các nguồn điện phân tán như tua bin gió, tấm pin mặt trời và pin xe điện ngày càng phổ biến và trở thành nguồn cung cấp điện không thể thiếu trong hệ thống lưới truyền tải.

Tất cả những hạn chế này này của máy biến áp truyền thống đã và đang được khắc phục nhờ những tiến bộ trong công nghệ vật liệu bán dẫn mới. Bên cạnh đó, nhờ những tiến bộ gần đây trong lĩnh vực điện tử công suất, solid state transformer (SST) hay còn được gọi là máy biến áp điện tử đã và đang được nghiên cứu phát triển. Với sự phát triển của các giải thuật điều khiển trong điện tử công suất, các máy biến áp điện tử này hứa hẹn sẽ xử lý các nhiệm vụ khó, nếu không muốn nói là không thể thực hiện được đối với một máy biến áp truyền thống. Cụ thể, việc quản lý và điều khiển dòng điện theo cả hai chiều giữa lưới điện hạ thế và lưới điện trung thế. Hơn nữa, những máy biến áp điện tử này có thể được thiết kế theo mô-đun, giúp chúng dễ dàng vận chuyển và lắp đặt. Về mặt kích thước và trọng lượng, chúng có thể nhỏ hơn đáng kể so với một máy biến áp truyền thống với công suất tương đương, và trọng lượng của chúng chỉ bằng một nửa và một phần ba thể tích.

Trong điều kiện làm việc ngắn hạn, máy biến áp điện tử là một giải pháp hiệu quả nhằm khắc phục hậu quả thiên tai ở những nơi có cơ sở hạ tầng điện bị hư hỏng và lắp đặt ở các cơ sở quan trọng như tòa nhà chính phủ, các viện và trung tâm nghiên cứu khoa học. Hơn nữa, bằng việc áp dụng các giải thuật điều khiển công suất một cách hiệu quả, các máy biến áp điện tử này có khả năng đáp ứng nhu cầu phụ tải với tốc độ cao, cải thiện đáng kể tính ổn định và hiệu quả năng lượng của hệ thống điện. Về mặt chi phí, máy biến áp điện tử có thể loại bỏ một khoản chi phí đáng kể trong cơ sở hạ tầng điện phân phối nhờ việc loại bỏ các thành phần cơ khí cồng kềnh trong việc điều chỉnh điện áp.

Mặc dù có tiềm năng, nhưng máy biến áp điện tử vẫn gặp một trở ngại lớn đó là công nghệ của các khóa bán dẫn, đặc biệt là yêu cầu thiết bị bán dẫn phải chịu được điện áp cao và có thể đóng cắt ở tần số cao. Trong vòng 10 năm qua, đã có những bước tiến lớn trong việc phát triển công tắc bán dẫn dựa trên các hợp chất bán dẫn – đặc biệt là silicon carbide. Hợp chất silicon carbide này có một loạt các đặc tính hấp dẫn nhờ vào kích thước khe vùng (band gap) lớn – khe vùng của silicon carbide là 3,26eV so với 1,1eV của vật liệu silicon truyền thống. Điều này có nghĩa là vật liệu có thể tiếp xúc với điện trường và nhiệt độ cao hơn đáng kể so với vật liệu silicon truyền thống mà không bị phá vỡ đặc tính.

Ngoài ra, silicon carbide có thể chịu được điện áp cao hơn cũng như kích thước khóa bán dẫn có thể chế tạo nhỏ gọn hơn. Do đó, silicon carbide cho phép đóng cắt mạch điện tử công suất với tần số nhanh hơn nhiều so với các khóa bán dẫn dựa trên vật liệu silicon truyền thống. Tốc độ chuyển mạch nhanh hơn cũng làm giảm tổn thất năng lượng, vì vậy các khóa bán dẫn silicon carbide có thể mang nhiều dòng điện hơn trên một diện tích nhất định. Với những lý do trên, silicon carbide là sự lựa chọn tối ưu cho việc phát triển máy biến áp điện tử.

Sơ đồ máy biến áp điện tử ba pha với ba mô-dun: bộ chuyển đổi đầu cuối (Front-End), bộ chuyển đổi DC-DC, và bộ biến tần 60Hz. Nguồn: spectrum.ieee.org

Bộ chuyển đổi đầu tiên, được gọi là bộ chuyển đổi đầu cuối, thiết kế với mục tiêu chuyển đổi dòng điện xoay chiều AC (ví dụ 13,8kV) thành dòng điện một chiều DC. Việc chuyển đổi AC sang DC được thực hiện bằng cách sử dụng một bộ khóa bán dẫn IGBT silicon hoặc silicon carbide. Để chuyển đổi dòng điện ở tần số 60Hz ở Hoa Kỳ – thành dòng điện một chiều, cần hai bộ khóa bán dẫn bổ sung. Một bộ hoạt động khi điện xoay chiều tới có điện áp dương và bộ còn lại hoạt động khi điện áp âm. Điều này giúp nâng cao chất lượng điện áp và dòng điện với rất ít nhiễu và sóng hài. Trung tâm Hệ thống Cung cấp và Quản lý Năng lượng điện tái tạo trong tương lai (Future Renewable Electric Energy Delivery and Management – FREEDM), Hoa Kỳ, đang là đơn vị tiên phong nghiên cứu máy biến áp điện tử với mục tiêu hiện đại hóa lưới điện, làm cho lưới điện trở nên an toàn, đáng tin cậy và bền vững hơn với môi trường. Tại FREEDM, máy biến áp điện tử được nghiên cứu thiết kế với cấu tạo bao gồm ba mô-đun: bộ chuyển đổi đầu cuối (Front-End), bộ chuyển đổi DC-DC, và bộ biến tần 60 Hz.

Trong mô-đun thứ hai, một bộ khóa bán dẫn khác chuyển đổi dòng điện một chiều đến thành dòng điện xoay chiều với tần số cao (vài chục kHz). Dòng điện này sau đó được đi qua một máy biến áp tần số cao – để chuyển đổi điện áp xuống 800V. Tại sao tần số cao lại được sử dụng? Về cơ bản, kích thước của một máy biến áp tỷ lệ nghịch với tần số của điện áp mà nó phải biến đổi. Tần số càng cao, máy biến áp càng nhỏ – điều này dẫn đến kết quả là máy biến áp tần số cao sẽ hoạt động hiệu quả hơn và kích thước cũng thu gọn hơn. Sau khi giảm điện áp, một bộ chuyển đổi năng lượng sẽ chuyển đổi dòng điện xoay chiều ở tần số cao này trở lại thành dòng điện một chiều.

Mô-đun thứ ba là một bộ biến tần, sử dụng một bộ khóa bán dẫn khác để chuyển đổi điện một chiều trở lại điện xoay chiều với tần số chính 60Hz, lúc này điện áp tiêu chuẩn có thể được cung cấp một cách an toàn cho người dùng cuối.

Trong một nghiên cứu gần đây của FREEDM, Máy biến áp điện tử dựa trên công nghệ truyền thống silicon cần ba bộ IGBT silicon được sắp xếp nối tiếp để chuyển đổi điện đầu vào áp 7,2kV xuống đầu ra 240V, và chỉ có thể đóng cắt ở tần số tối đa 3kHz. Phiên bản máy biến áp điện tử dựa trên công nghệ mới silicon carbide có công suất tương tự với cấu tạo gồm một bộ khóa bán dẫn silicon carbide có thể hoạt động ở tần số cao 20kHz. Nhờ đó, máy biến áp trong mô-đun thứ hai với công nghệ mới silicon carbide chỉ bằng 20% ​​kích thước của một máy biến áp 60Hz thông thường. Khi so sánh công nghệ mới silicon carbide với công nghệ truyền thống silicon, kích thước máy biến áp điện tử đã giảm đi được ba lần, giúp tiết kiệm chi phí vận chuyển và lắp đặt.

Với cách tiếp cận ba mô-đun, pin và các nguồn năng lượng tái tạo có thể kết nối trực tiếp với điểm công suất DC của máy biến áp điện tử. Kết quả là các nguồn năng lượng đó có thể truyền tải trực tiếp với lưới điện. Sự sắp xếp này sẽ làm giảm đáng kể tổn hao lượng năng lượng khi các tấm pin mặt trời, tuabin gió và những nguồn năng lượng tương tự truyền tải năng lượng vào lưới điện.

Với những kết quả thu được đầy ấn tượng về máy biến áp điện tử, chúng ta có thể đạt được những bước tiến vượt bậc trong lĩnh vực phân phối, truyền tải năng lượng trong tương lai không xa. Hơn thế nữa, bằng việc làm chủ công nghệ này, chúng ta có thể quản lý năng lượng truyền tải một cách thông minh, từ đó mang lại sự linh hoạt và khả năng ổn định lưới điện tốt hơn nhiều so với một máy biến áp kiểu truyền thống.

Nguồn:

Nguyễn Duy Long (Đại học Ulsan, Hàn Quốc),
Phạm Minh Đức (Đại học Ulsan, Hàn Quốc)