Sợi dây kết nối đặc biệt: từ một thị trấn cổ trở thành trung tâm của cuộc cách mạng trong ngành năng lượng tái tạo ở Anh

38
John Vodden (trái) và Jeremy Snazell đã lãnh đạo sự phát triển của cơ sở thử nghiệm HVDC mới của GE. Chúng tôi đã xây dựng một phòng tra tấn cho các van. Tất cả đều được thiết lập để tái tạo lại cuộc sống thực sự như thế nào và cũng để cung cấp cho chiếc van nhỏ đó một khoảng thời gian khó khăn. Nguồn ảnh: Tomas Kellner, GE Reports.

Ngồi trong bóng tối của một lâu đài Saxon được xây dựng từ thế kỷ thứ 10, bao quanh bởi những cánh đồng xanh mướt với những đàn cừu và gia súc đang gặm cỏ, thị trấn Stafford thuộc vùng trung du nước Anh cảm thấy khác xa với sự ồn ào và náo nhiệt của Manchester, một cái nôi của Cách mạng Công nghiệp.

Nhưng ấn tượng đầu tiên có thể không chính xác. Trong khi Manchester đang bỏ lại sau lưng cuộc Cách mạng Công nghiệp và trên đà phát triển thành một trung tâm thể thao, kinh doanh, truyền thông và văn hóa lớn, thì Stafford đang lặng lẽ biến thành một nhân vật chủ chốt trong cuộc cách mạng năng lượng tái tạo. Các kỹ sư từ hơn 40 quốc gia đang làm việc ở đây để làm chậm sự thay đổi khí hậu và tăng tỷ lệ năng lượng từ các nguồn sạch và dồi dào, như gió và ánh sáng mặt trời, trong các ổ cắm của chúng tôi.

Nhưng nó không phải là tua-bin gió hay các tấm pin mặt trời mà họ đang chế tạo ở Stafford. Thay vào đó, đó là các thành phần cốt lõi khác cần thiết để giữ năng lượng tái tạo là một phần ngày càng tăng của hỗn hợp năng lượng: thiết bị truyền năng lượng xanh đến nhà và doanh nghiệp. Ngày nay, bạn thường gặp phải một tình huống, như trong trường hợp các trang trại gió ngoài khơi, nơi năng lượng được tạo ra ở rất xa nơi có nhu cầu, ông Richard Zhang, lãnh đạo R & D cho doanh nghiệp Giải pháp lưới của GE Renewable Energy ở Stafford . Câu hỏi đặt ra là, làm thế nào để bạn thực sự vận chuyển năng lượng? Theo một cách nào đó, nó tương tự như sử dụng xe lửa hoặc xe tải để vận chuyển nhiên liệu. Bạn có thể hình dung lưới điện như một đường cao tốc điện. Công việc của chúng tôi là tìm ra cách hiệu quả nhất để đưa nó đến thị trấn của bạn.

Đó là cách mà câu chuyện bắt đầu ở Stafford, nơi GE sở hữu một số nhà máy và cơ sở kỹ thuật phát triển công nghệ thông minh và mạnh mẽ cho các đường dây điện cao thế trực tiếp (HVDC). Chế độ truyền này cho phép các tiện ích truyền tải hiệu quả lượng điện năng lớn trong khoảng cách xa.

Khi các nhà khai thác lưới điện gửi điện từ một nhà máy điện đến một điểm trong mạng, họ sẽ mất một số đường đi, giống như nước rò rỉ ra khỏi lò sưởi. Nhưng tổn thất HVDC nhỏ hơn so với tổn thất diễn ra trong các hệ thống sử dụng dòng điện xoay chiều, một chế độ truyền dẫn truyền thống hơn. Đó là một phần vì dòng điện xoay chiều thường di chuyển một chiều dọc theo dây trong một sóng hình sin, chuyển đổi 120 lần mỗi giây giữa cộng và trừ ở Hoa Kỳ (100 lần ở Châu Âu). Dòng điện trực tiếp đơn giản hơn nhiều: Nó có thể chảy theo một trong hai hướng và ở điện áp cộng hoặc trừ không đổi. “Với BonDC, bạn có thể truyền tải điện năng nhiều hơn gấp ba lần”, Rafael Bonchang, một người quản lý phát triển kinh doanh tại GE Renewable Energy cho biết. “Đây là một phát minh vĩ đại khi bản thân chi phí dây cáp có thể chiếm tới 70% tổng số tiền đầu tư của dự án. Một lợi ích lớn khác là bạn có thể chạy HVDC mặc dù cáp ngầm và dưới nước. Điều này là thử thách lớn với dòng điện AC, vì nhiều lý do kỹ thuật.”

“Ngày nay, bạn thường gặp phải một tình huống, như trong trường hợp các trang trại gió ngoài khơi, nơi năng lượng được tạo ra ở rất xa nơi có nhu cầu”, ông Richard Zhang, phụ trách phòng Nghiên cứu & Phát triển (R&D) của Renewable Energy’s Grid Solutions tại Standford. Nguồn ảnh: GE Renewable Energy.

Để chắc chắn, lưới điện DC đã xuất hiện kể từ khi Thomas Edison xây dựng cái đầu tiên ở trung tâm thành phố Manhattan vào năm 1882. Năm 1932, GE đã xây dựng tuyến HVDC thử nghiệm dài 23 dặm đầu tiên ở Hoa Kỳ nối liền Mechanicville và Schenectady ở ngoại ô New York. Nhưng giống như các công ty điện thoại đã chuyển từ các nhà khai thác tổng đài sang mạng 5G, một sự phát triển tương tự đã diễn ra trong ngành kinh doanh truyền tải điện.

Dòng HVDC đầu tiên ở Hoa Kỳ đã sử dụng bà của van hiện đại – một thiết bị gọi là ống hồ quang thủy ngân thủy tinh – để cắt dòng điện xoay chiều hình sin và cải tiến điều chỉnh nó thành DC. Giống như các nhà sản xuất TV đã thay thế các ống chân không đầy đặn bằng các bóng bán dẫn nhỏ, các kỹ sư của HVDC đã tiến hành chế tạo van từ các thiết bị điện tử công suất nhỏ hơn nhiều – bộ chuyển đổi nguồn điện áp (VSC) – có thể được điều khiển bằng máy tính và phá vỡ và lắp ráp bất kỳ loại điện nào điều hành lưới dạng sóng cần.

Công nghệ VSC yêu cầu một dấu chân nhỏ hơn, cho phép GE triển khai nó tại trạm DolWin3 ở Biển Bắc, nơi nó thu thập điện từ một trang trại gió ngoài khơi 900 tạ megawatt. Các van cung cấp dòng điện trực tiếp vào cáp HVDC bắt đầu bên trong trạm chuyển đổi 18.000 tấn màu vàng đứng trong làn nước xám, đục ngầu và chạy trong 80 km dưới nước. Khi đến được bờ, nó kéo dài thêm 80 km dưới lòng đất trước khi chấm dứt tại một cơ sở nội địa tương tự, chuyển nó trở lại AC.

GE cũng đang chế tạo thiết bị dựa trên công nghệ trước đó, được gọi là bộ chuyển đổi giao tiếp đường truyền (LCC), vẫn có nhiều ứng dụng trên bờ – như khi các tiện ích cần phải di chuyển một lượng điện năng khổng lồ qua khoảng cách lớn. Công nghệ này có thể liên kết truyền dài nhất thế giới kết nối một cặp của các nhà máy thủy điện ở lưu vực Amazon tới São Paulo số 1.460 dặm thực hiện. Bộ chuyển đổi GE LCC cũng hoạt động ở Ấn Độ, cung cấp năng lượng cho một liên kết HVDC dài 850 dặm, chạy ở phía bắc từ bang Chhattisgarh phía đông. GE hiện đang hoàn thành một đường cao tốc năng lượng HVDC ở Thụy Điển, xây dựng liên kết đến một trang trại năng lượng mặt trời khổng lồ ở Nhật Bản và phát triển một số dự án tại Hàn Quốc.

Trạm chuyển đổi Rio Maderia HVDC ở Brazil. Công nghệ này có thể liên kết truyền dài nhất thế giới kết nối một cặp của các nhà máy thủy điện ở lưu vực Amazon tới São Paulo nằm cách 1.460 dặm. Nguồn ảnh: GE Renewable Energy

HVDC sẽ không thay thế hoàn toàn việc truyền tải AC truyền thống, nhưng nó đang trở thành đối tác ngày càng quan trọng của lưới điện AC. Công nghệ HVDC có thể liên kết các lưới điện AC hoạt động ở các tần số khác nhau và cho phép chúng theo dõi lại nhau. Ví dụ, lưới điện xoay chiều ở Ả Rập Saudi đang chạy ở tần số 60 Hz, giống như ở Hoa Kỳ, nhưng Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất, Kuwait và các quốc gia khác bên cạnh vận hành lưới điện của họ ở tần số 50 Hz, tương tự như Châu Âu. Kết quả là, khi Dubai cần thêm sức mạnh, họ không thể nhờ người hàng xóm lớn giúp đỡ. Nhưng các hệ thống HVDC mới nhất được sản xuất tại Stafford có thể biến dòng điện trực tiếp thành sóng có hình dạng và tần số bất kỳ và cho phép các lưới khác nhau liên kết với nhau.

HVDC cũng có thể giúp cải thiện chất lượng của dòng điện chạy qua lưới AC – ví dụ, khi điện áp đi quá xa tần số tiêu chuẩn, HVDC có thể cung cấp tần số theo quy định và do đó ngăn ngừa sự cố mất điện. Nó cũng có thể giúp bảo vệ các mạng truyền tải AC khỏi sự dao động trong sản xuất dẫn đến một vấn đề gọi là quán tính thấp. Lưới điện nhận được điện từ các máy phát quay, giống như vòng quay vui vẻ và sản xuất điện với tần số không đổi. Nhưng khi một loạt các tuabin gió đột nhiên ngắt khỏi lưới vì gió ngừng thổi, giống như những đứa trẻ đột nhiên nhảy xuống để theo đuổi một số hoạt động khác, các nhà khai thác phải hành động nhanh chóng để đưa tần số về mức bình thường hoặc gặp rủi ro. HVDC có thể giúp ở đây quá.

Thiết bị làm cho tất cả những thứ này có thể là một thiết bị điện tử công suất – không lớn hơn một hộp sôcôla – được gọi là van. Chức năng cơ bản của nó là chuyển AC sang DC và quay lại, nhưng cuộc sống không bao giờ đơn giản như vậy. Các mảng lớn của các van này phải xử lý hàng trăm nghìn volt, dẫn dòng điện lớn của hàng ngàn ampe và bật và tắt trong khoảng một phần triệu giây. Để chắc chắn rằng họ có thể làm điều đó hàng ngày trong nhiều năm và ở giữa đại dương, chúng tôi đã xây dựng một phòng tra tấn cho các van, John nói, John Vodden, kỹ sư trưởng của doanh nghiệp GE Giải pháp Lưới. Tất cả đều được thiết lập để tái tạo cuộc sống thực sự như thế nào và cũng để cung cấp cho cái van nhỏ đó một thời gian khó khăn.

Mất khoảng 10 phút để đi bộ từ trung tâm thời trung cổ đẹp như tranh vẽ của Stafford – nơi đây có ngôi nhà khung gỗ lớn nhất nước Anh – qua một sân bóng bầu dục đến phòng tra tấn Vodden, được gọi chính thức là Cơ sở thử nghiệm Valve. Trung tâm thử nghiệm, được thiết kế bởi Vodden, đồng nghiệp Jeremy Snazell và các nhóm của họ để xác nhận công nghệ cho lưới HVDC, đã khai trương vào đầu năm nay và nó không có đồng đẳng trên thế giới. Để bắt đầu, nó nằm bên trong một chiếc lồng Faraday khổng lồ có kích thước của một nhà thờ ngăn chặn sóng điện từ và loại bỏ các nhiễu loạn khác bên trong cơ sở. Chiếc lồng chỉ là một trong nhiều tính năng thiết kế riêng biệt cho phép các kỹ sư GE kiểm tra căng thẳng các thiết kế van mới nhất và cấu hình cụ thể được phát triển cho khách hàng và chạy chúng trong các điều kiện khắc nghiệt mà họ sẽ không bao giờ gặp phải trong lĩnh vực này.

Tại trung tâm của trung tâm kiểm tra là các mảng van tùy chỉnh được lắp ráp thành các mô-đun đặc biệt có thể tạo ra bất kỳ điều kiện lưới và xáo trộn theo yêu cầu. Các mô-đun được trang bị vô số điện áp, dòng điện và các cảm biến khác và được kết nối bằng cáp quang mỏng đến não trung tâm. Bộ não, nằm trong một khu vực dành riêng giống như một bản hòa tấu của phòng thay đồ tập thể dục và trung tâm dữ liệu, bao gồm các chồng bảng mạch được cất giữ trong một dãy tủ lưu trữ màu xám; công việc của nó là chạy phần mềm được thiết kế bởi Snazell và các đồng nghiệp. Toàn bộ thiết lập cho phép nhóm tạo ra bất kỳ dạng sóng nào họ muốn. Kevin Đây là hệ thống đầu tiên trên thế giới, như thế, Kevin nói, Kevin Dyke, giám đốc dự án HVDC cho doanh nghiệp GE Renewable Energy. Cung điện có thể lập trình hiệu quả.

Cơ sở thử nghiệm HVDC mới của GE tại Stafford mang đến cho các kỹ sư đại diện thực sự của thế giới thực. “Không ai khác có thể làm được điều này”, Kevin Dyke chia sẻ. “Nền tảng này có thể sẽ thay đổi ngành công nghiệp để thử nghiệm van HVDC”. Nguồn ảnh: GE Renewable Energy.

Lập trình điện là một nhiệm vụ phức tạp và GE sử dụng trong Stafford khoảng 200 kỹ sư phần mềm không chỉ từ Hoa Kỳ, mà cả Ấn Độ, Hàn Quốc và Trung Quốc, những người chuyên viết mã cho HVDC. “Hệ thống điều khiển là phần quan trọng nhất, nhưng tôi có thể hơi thiên vị một chút”, ông Snazell cười, người đã viết mã bằng cách lập trình trò chơi máy tính khi chỉ mới 8 tuổi. “Đó là điều khiến hệ thống thông minh. Vì sức mạnh rất dễ điều khiển, bạn có thể làm những việc như hỗ trợ lưới điện AC. Bạn có thể sử dụng nó làm điều khiển tần số nếu tần số AC của bạn thấp hơn một chút hoặc cao hơn một chút”.

Snazell và nhóm của ông đã bắt đầu xây dựng “máy phát điện cao áp và điện áp cao tùy ý của họ” cách đây vài năm. “Chúng tôi nhận ra sớm rằng vì điều này rất khó nắm bắt, nên rất mới, nó sẽ rất khó khăn”, anh nói. “Tuy nhiên, chúng tôi muốn có được một cái gì đó, một cái gì đó, bất cứ thứ gì, bẩn thỉu, lộn xộn, một giải pháp đó không phải là-làm-những gì chúng tôi muốn-nó-nhưng-nó-hoạt động. Đó là sự khởi đầu, và chúng tôi chỉ tinh chỉnh nó, phát triển nó và cải tiến nó”. Ngày nay, các kỹ sư tại trung tâm kiểm tra có thể đưa vào điều kiện họ muốn vào máy tính của họ, và bộ não bên trong tủ khóa sẽ tạo ra sóng họ muốn. Vượt qua nó ở đâu, điều kỳ diệu xảy ra. “Những bộ phận này quyết định làm thế nào để đạt được điện áp và kết nối với các mạch”.

Nhóm nghiên cứu điều khiển cơ sở từ một trung tâm chỉ huy giống như NASA với một loạt các thiết bị đầu cuối máy tính và một bức tường của các cửa sổ từ sàn đến trần nhìn ra buồng thử nghiệm. Các nhân viên ở đó có thể phơi bày các mảng van tới 90.000 volt và 6.000 ampe dòng điện cùng một lúc. Dyke nói rằng trong quá khứ, các công ty sẽ kiểm tra van của họ bằng cách cho chúng tiếp xúc với điện áp cao, sau đó tắt điện áp và nổ chúng với dòng điện. “Sau đó, bạn đồng ý với các khách hàng rằng bạn đã loại nó làm những gì mà nó phải làm”, mà anh ấy nói. “Hệ thống mới của chúng tôi hiện cung cấp cho bạn đại diện thực sự [của thế giới thực] bằng cách cung cấp dòng điện và điện áp cùng một lúc. Không ai khác có thể làm điều này. Nền tảng này có thể sẽ thay đổi ngành công nghiệp để thử nghiệm van HVDC”.

Nhưng trung tâm thử nghiệm là điểm dừng chân cuối cùng trong hành trình của khách hàng khi họ ghé thăm Stafford. Họ thường bắt đầu bên trong một cơ sở GE mới trên khắp thị trấn, nơi các nhóm kỹ sư phần cứng và phần mềm đa tài và các nhân viên khác thiết kế các giải pháp bespoke cho các dự án của họ, như các thợ may chuyên gia trên London ED Savile Row. “Chúng tôi gọi chúng là nhóm dự án”,  ông Arm Armrong, trưởng nhóm phân phối dự án và kỹ thuật cho doanh nghiệp Giải pháp lưới năng lượng tái tạo GE, cho hay. “Chúng tôi định vị đội ngũ lãnh đạo dự án, các kỹ sư chủ chốt, mua sắm, tài chính, chất lượng – về cơ bản, tất cả các chức năng góp phần phân phối dự án cụ thể đó được thể hiện trong cùng một khu vực. Thay vì được trải ra ở các khu vực khác nhau của tòa nhà, bất cứ ai có liên quan đến một dự án cụ thể đều ở trong cùng một khu vực”.

Armstrong cho biết: “Họ đều nghe những điều tương tự. Tất cả đều đóng góp cho những điều tương tự. Và điều đó cho chúng ta ý thức về mục đích có mọi người cùng nhau”.

BÌNH LUẬN CỦA BẠN