Dự phòng quay là phần công suất mà các tổ máy đang nối lưới và đang quay giữ lại chưa dùng, sẵn sàng tăng lên ngay trong vài giây đến vài phút nếu một nhà máy khác bất ngờ ngừng. Nó giống như chiếc xe cứu thương đã nổ máy đứng chờ ở cổng thay vì nằm trong gara. Người điều độ luôn phải giữ đủ lượng dự phòng này, thường ít nhất bằng tổ máy lớn nhất đang chạy, dù việc đó tốn tiền vì có những nhà máy cố ý chạy dưới mức tối đa.
Vì sao không thể để nhà máy chạy hết công suất
Nếu chỉ tính tiền nhiên liệu, cách rẻ nhất là cho các nhà máy rẻ nhất chạy hết cỡ, tắt hẳn những nhà máy còn lại. Nhưng lưới điện không vận hành trong một thế giới không có sự cố. Mỗi ngày đều có khả năng một tổ máy nhảy vì hỏng bơm cấp nước, một đường dây bị sét đánh cắt mất nguồn từ một vùng, hay một nhà máy điện gió tụt công suất vì gió đổi hướng.
Khi một nguồn biến mất, phần thiếu hụt phải được bù gần như ngay lập tức, nếu không tần số sẽ tụt sâu và rơ le sa thải phụ tải bắt đầu cắt điện khách hàng. Không có nhà máy nào "từ trong gara" khởi động kịp trong vài giây. Chỉ những tổ máy đã quay sẵn, đã hoà vào lưới, đang chạy dưới mức tối đa mới làm được việc đó. Phần công suất còn trống của chúng chính là dự phòng quay.
Các loại dự phòng theo tốc độ
Dự phòng được chia theo thời gian nó vào cuộc được. Tên gọi và con số cụ thể khác nhau giữa các nước, nhưng logic chung như sau:
| Loại | Trạng thái chờ | Thời gian huy động | Dùng để |
|---|---|---|---|
| Dự phòng điều tần | Tổ máy đang chạy, nhận tín hiệu tự động | Vài giây | Bám theo dao động nhỏ liên tục của phụ tải |
| Dự phòng quay (sự cố) | Tổ máy đang quay, nối lưới, còn trống công suất | Vài giây đến khoảng mười phút | Bù khi một nguồn lớn mất đột ngột |
| Dự phòng khởi động nhanh (không quay) | Tổ máy đứng yên nhưng sẵn sàng | Khoảng mười đến ba mươi phút | Thay thế dự phòng quay đã dùng |
| Dự phòng nguội | Tổ máy dừng, cần chuẩn bị | Nhiều giờ | Bù khi sự cố kéo dài hoặc phụ tải tăng bất thường |
Các loại này nối tiếp nhau như những người chạy tiếp sức. Dự phòng quay đỡ cú đầu tiên, rồi dự phòng khởi động nhanh được gọi lên để "giải phóng" nó, để lưới lại có đủ dự phòng quay cho sự cố tiếp theo. Ca trực mà dùng hết dự phòng quay rồi không bù lại được là ca trực đang đứng sát mép vực.
Giữ bao nhiêu là đủ: tiêu chí N-1
Câu hỏi then chốt của người lập phương thức: cần giữ bao nhiêu MW dự phòng quay?
Câu trả lời phổ biến nhất trên thế giới dựa vào tiêu chí N-1: hệ thống phải chịu được việc mất một phần tử lớn nhất bất kỳ mà không phải cắt điện khách hàng. Phần tử ấy có thể là tổ máy lớn nhất đang chạy, một đường dây liên kết đang nhập nhiều điện, hay một trạm biến áp quan trọng. Vì vậy lượng dự phòng quay tối thiểu thường được đặt xấp xỉ bằng công suất của phần tử lớn nhất ấy.
Ví dụ dễ hình dung: nếu tổ máy lớn nhất đang phát 600 MW, lưới phải có ít nhất khoảng 600 MW công suất chưa dùng nằm rải rác trên các tổ máy khác đang quay, và phân bố sao cho đường dây chở được phần công suất ấy tới nơi cần.
Một số lưới tính kỹ hơn bằng phương pháp xác suất: kết hợp khả năng hỏng của từng tổ máy, sai số dự báo phụ tải, sai số dự báo gió và nắng, để ra mức dự phòng đảm bảo một độ tin cậy định trước. Khi điện gió, điện mặt trời chiếm tỷ trọng lớn, sai số dự báo trở thành một "phần tử" gần ngang ngửa tổ máy lớn nhất, nên nhu cầu dự phòng tăng theo.
Ai đứng làm dự phòng
Thuỷ điện
Thuỷ điện là ứng viên lý tưởng: tổ máy thuỷ điện tăng công suất rất nhanh, chi phí chạy non tải gần như không đáng kể vì nước không mất đi, chỉ để dành phát sau. Ở những lưới nhiều thuỷ điện như Việt Nam, phần lớn dự phòng quay và điều tần thường được giao cho các nhà máy thuỷ điện lớn, với điều kiện hồ có đủ nước.
Nhiệt điện
Nhà máy than, khí cũng có thể giữ dự phòng bằng cách chạy dưới định mức. Cái giá là hiệu suất giảm: một lò hơi chạy 80% tải đốt tốn nhiên liệu hơn cho mỗi kWh so với chạy đầy tải. Ngoài ra, tổ máy nhiệt tăng công suất chậm hơn, chỉ vài phần trăm định mức mỗi phút.
Pin lưu trữ và phụ tải
Pin lưu trữ cỡ lớn là "dự phòng" nhanh nhất từng có, phản ứng trong một phần nhỏ của giây. Ở nhiều nước, pin đã chiếm phần lớn thị trường dịch vụ điều tần nhanh. Một số khách hàng công nghiệp lớn cũng tham gia làm dự phòng theo kiểu ngược: cam kết tự động ngắt một phần tải khi tần số tụt, đổi lại được trả phí.
Chi phí và giá của sự an toàn
Giữ dự phòng là trả tiền cho thứ mình hy vọng không phải dùng. Người điều độ phải cân đo giữa hai rủi ro:
- Giữ quá ít: một sự cố bình thường có thể dẫn tới sa thải phụ tải, thậm chí sập lưới dây chuyền. Thiệt hại cho nền kinh tế lớn hơn rất nhiều so với tiền dự phòng.
- Giữ quá nhiều: hàng trăm MW công suất chạy non tải mỗi giờ, nhiên liệu tốn thêm, giá điện bình quân tăng.
Ở các thị trường điện phát triển, dự phòng được mua bán như một sản phẩm riêng, gọi chung là dịch vụ phụ trợ. Nhà máy chào giá giữ dự phòng, đơn vị vận hành hệ thống chọn những chào giá rẻ nhất đủ để đạt mức yêu cầu. Việt Nam cũng có các quy định về dịch vụ phụ trợ trong hệ thống điện quốc gia, trong đó dự phòng quay, điều tần, khởi động nhanh, vận hành phải phát là những loại dịch vụ được nhắc tới.
Một ca trực nhìn từ góc dự phòng
Hình dung ca chiều của một ngày nắng nóng:
- 14 giờ: điều độ viên kiểm tra bảng dự phòng: bao nhiêu MW trên các thuỷ điện, bao nhiêu trên các tổ máy khí. Tổ máy lớn nhất đang chạy là một tổ nhiệt điện than.
- 17 giờ: phụ tải bắt đầu lên đỉnh tối, điện mặt trời giảm dần. Các thuỷ điện tăng phát, phần dự phòng trên chúng co lại. Điều độ cho khởi động thêm một tổ tuabin khí để bù lượng dự phòng.
- 18 giờ 30: tổ máy than lớn nhảy vì sự cố thiết bị phụ. Tần số tụt. Các thuỷ điện và tổ khí đang giữ dự phòng tự tăng công suất theo bộ điều tốc, AGC kéo tần số về.
- 18 giờ 45: lưới ổn định nhưng dự phòng quay gần cạn. Điều độ viên gọi thêm nguồn khởi động nhanh, tính lại giới hạn truyền tải, và nếu cần thì báo các điều độ miền chuẩn bị phương án điều chỉnh phụ tải.
Phần lớn khách hàng không hề hay biết đã có chuyện xảy ra. Đó chính là thành công của dự phòng.
Góc nhìn hôm nay: dự phòng ở khắp nơi quanh ta
Ý tưởng dự phòng quay không riêng gì ngành điện. Bệnh viện giữ giường trống cho ca cấp cứu, hãng hàng không giữ máy bay dự bị ở sân bay chính, tổng đài giữ một số điều phối viên không nhận cuộc gọi thường để sẵn sàng cho sự cố lớn. Cái chung là: giữ sẵn một phần năng lực chưa dùng, tính theo cú sốc lớn nhất có thể xảy ra, và biết thứ tự thay thế khi phần ấy bị dùng hết.
Ở nhà, máy phát điện hay bộ lưu điện dùng trong gia đình chỉ là dự phòng nguội cho riêng mình. Khi dùng máy phát, hãy nhờ thợ có chuyên môn đấu nối qua thiết bị chuyển nguồn đúng chuẩn và tuyệt đối không cắm ngược vào ổ điện nhà, vì điện có thể đi ngược lên lưới gây nguy hiểm cho thợ đang sửa chữa.
Câu hỏi thường gặp
Dự phòng quay là gì?
Dự phòng quay là phần công suất chưa sử dụng trên các tổ máy đang quay và đã hoà lưới, có thể tăng lên trong vài giây đến vài phút. Nó dùng để bù ngay khi một nhà máy hay đường dây bất ngờ mất, tránh phải cắt điện khách hàng.
Dự phòng quay và dự phòng nguội khác nhau thế nào?
Dự phòng quay nằm trên tổ máy đang chạy, huy động được gần như tức thì. Dự phòng nguội là tổ máy đang dừng, cần từ vài chục phút đến nhiều giờ để khởi động. Hai loại nối tiếp nhau: dự phòng quay đỡ cú sốc đầu, dự phòng nguội thay thế khi sự cố kéo dài.
Tiêu chí N-1 là gì?
N-1 là nguyên tắc thiết kế và vận hành yêu cầu hệ thống điện vẫn hoạt động bình thường khi mất bất kỳ một phần tử nào, như một tổ máy hay một đường dây. Đây là căn cứ để tính lượng dự phòng quay tối thiểu và giới hạn truyền tải.
Vì sao thuỷ điện hay được dùng làm dự phòng?
Tổ máy thuỷ điện tăng giảm công suất rất nhanh và chạy non tải không tốn nhiên liệu, vì nước chưa dùng vẫn còn trong hồ. Do đó thuỷ điện thường đảm nhận dự phòng quay và điều tần khi hồ đủ nước.
Pin lưu trữ có thay được dự phòng quay không?
Pin lưu trữ phản ứng nhanh hơn mọi tổ máy và đang đảm nhận nhiều dịch vụ điều tần, dự phòng ngắn hạn. Tuy nhiên dung lượng pin thường chỉ đủ vài giờ, nên lưới vẫn cần kết hợp với các nguồn khác cho sự cố kéo dài.
