1. Giới thiệu

Điện gió là một trong những nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng phát triển ở quy mô lớn nhất, đóng vai trò then chốt trong quá trình chuyển đổi cơ cấu năng lượng toàn cầu theo hướng xanh hóa và giảm thải carbon. So với điện gió trên bờ, điện gió ngoài khơi sở hữu những lợi thế vượt trội như tốc độ gió cao hơn, mức nhiễu động thấp hơn, không gian phát triển rộng lớn và vị trí gần các trung tâm phụ tải điện ven biển. Nhờ đó, điện gió ngoài khơi đã trở thành trọng tâm chiến lược trong cuộc cạnh tranh phát triển năng lượng trên toàn thế giới. Với những tiến bộ không ngừng về công nghệ và xu hướng giảm chi phí, điện gió ngoài khơi đang tăng tốc phát triển theo hướng công suất lớn hơn, triển khai tại vùng nước sâu hơn và mức độ ứng dụng công nghệ trí tuệ nhân tạo cao hơn. Tuabin gió ngoài khơi có vai trò cốt lõi trong quá trình chuyển đổi năng lượng, quyết định trực tiếp đến sự sống còn của ngành điện gió ngoài khơi. Bài viết này tập trung vào chủ đề "Tuabin gió ngoài khơi thông minh", nhằm phác họa các xu hướng phát triển chính trong tương lai, chỉ ra những thách thức kỹ thuật trọng yếu đang phải đối mặt và khám phá các chiến lược ứng phó thực tiễn, qua đó cung cấp cơ sở lý thuyết tham khảo và hỗ trợ kỹ thuật cho sự phát triển vững mạnh của ngành công nghiệp điện gió ngoài khơi cũng như chiến lược năng lượng quốc gia.

2. Các xu hướng phát triển trong tương lai của tuabin gió ngoài khơi

1. Tăng công suất (quy mô lớn) của tuabin gió ngoài khơi

• ​​Các yếu tố thúc đẩy và tình hình hiện tại:​​ Việc tăng công suất tuabin là một trong những giải pháp hiệu quả nhất để giảm Chi phí điện năng quy dẫn (Levelized cost of energy - LCOE). Công suất lớn hơn đồng nghĩa với việc cần ít tuabin hơn cho các trang trại điện gió có cùng quy mô, qua đó giúp giảm thiểu đáng kể chi phí liên quan đến móng, lắp đặt, cáp và vận hành & bảo dưỡng. Hiện tại, các tuabin có công suất trên 10MW đã được sử dụng phổ biến ở các dự án điện gió ngoài khơi, các mẫu tuabin có công suất 15MW trở lên đã bước vào giai đoạn sử dụng thương mại và các nguyên mẫu công suất 20MW đang trong quá trình thử nghiệm. Đường kính rotor đã vượt quá 250 mét, diện tích quét tiếp tục được mở rộng và hiệu suất thu gió được cải thiện đáng kể.
• Tác động và mục tiêu: Xu hướng phát triển theo hướng quy mô công suất lớn là không thể đảo ngược. Mục tiêu là tiếp tục giảm chi phí trên mỗi kilowatt, nâng cao hiệu quả kinh tế của dự án và đẩy nhanh quá trình hướng tới đạt mốc “grid parity” (hiệu quả đầu tư vào điện gió ngang với các hình thức điện truyền thống khác), hoặc thậm chí đạt mức giá thấp hơn giá thị trường đối với điện gió ngoài khơi. Trong thập kỷ tới, công suất tổ máy vượt quá 20MW và đường kính rotor vượt quá 300 mét sẽ trở thành hiện thực.

Hình 1. Xu hướng tăng qui mô công suất tuabin điện gió

2.2 Mở rộng từ khu vực gần bờ đến các vùng biển sâu

• ​​​​Tiềm năng tài nguyên và nhu cầu phát triển: Các nguồn tài nguyên gió gần bờ chất lượng cao đang dần cạn kiệt và bị giới hạn bởi nhiều yếu tố như tuyến hàng hải, ngư nghiệp, hoạt động quân sự và bảo vệ môi trường. Các vùng biển sâu (thường được định nghĩa là cách bờ trên 70 km hoặc độ sâu nước lớn hơn 50 mét) cung cấp nguồn gió dồi dào và ổn định hơn, với tiềm năng phát triển rất lớn. Đây sẽ là lựa chọn tất yếu để hỗ trợ quá trình phát triển điện gió ngoài khơi quy mô lớn trong tương lai.
• Mở rộng khái niệm "biển sâu": Việc mở rộng khai thác ra các vùng biển sâu không chỉ là sự kéo dài về mặt địa lý (xa bờ hơn) mà còn là sự mở rộng về khái niệm độ sâu (chuyển từ móng cố định ở vùng nước nông sang móng nổi ở vùng nước sâu). Công nghệ điện gió nổi là chìa khóa để khai phá tiềm năng tài nguyên gió tại các khu vực biển sâu.

2.3 Chuyển dịch từ điều khiển đơn lẻ sang phối hợp theo cụm tuabin

• Hạn chế của mô hình truyền thống: Trong điều khiển tuabin truyền thống, mục tiêu chủ yếu là tối ưu hiệu suất từng tuabin riêng lẻ (ví dụ: điều khiển theo điểm công suất tối đa - MPPT), mà chưa tính đến tổng thể toàn bộ trang trại điện gió. Điều này có thể dẫn đến tổn thất do hiệu ứng đuôi gió, phân bố tải trọng mỏi không đều, và không tối ưu được tổng sản lượng điện.
• Giá trị của tối ưu hóa phối hợp: Trong điều khiển phối hợp theo cụm, toàn bộ trang trại điện gió được coi như một hệ thống hữu cơ. Thông qua việc phối hợp và tối ưu trạng thái vận hành của từng tuabin đơn lẻ (như góc lệch giữa tuabin và hướng gió – yaw, góc nghiêng cánh tuabin – pitch, tốc độ quay hoặc chế độ khởi động/dừng), hệ thống có thể đạt được các mục tiêu tổng thể như: tối đa hóa sản lượng điện của toàn bộ trang trại điện gió, giảm tải mỏi, và tối ưu khả năng hỗ trợ lưới điện. Trí tuệ nhân tạo (AI) và công nghệ dữ liệu lớn là những yếu tố cốt lõi cho phép điều khiển phối hợp theo cụm hiệu quả.

Hình 2. Hiệu ứng đuôi gió của tuabin gió ngoài khơi

2.4 Tiến hóa từ “hòa lưới” sang “hỗ trợ lưới”

• Thách thức của chế độ nối lưới thụ động: Các tuabin gió thế hệ đầu chủ yếu hoạt động “theo lưới”, nghĩa là phát điện vào lưới một cách thụ động, vận hành phụ thuộc hoàn toàn vào sự ổn định điện áp và tần số của lưới điện. Khi tỷ lệ thâm nhập của điện gió gia tăng nhanh chóng – đặc biệt trong các hệ thống lưới yếu hoặc tại các trang trại điện gió ngoài khơi biệt lập ở vùng biển sâu – chế độ vận hành thụ động này không còn đáp ứng được yêu cầu duy trì ổn định lưới và chất lượng điện năng.
• Nhu cầu hỗ trợ lưới chủ động: Các tuabin gió ngoài khơi trong tương lai cần được chuyển đổi sang vai trò “hỗ trợ lưới” hoặc thậm chí là “tạo lưới” (grid-former). Điều này đòi hỏi tuabin phải chủ động cung cấp các dịch vụ phụ trợ như: phản ứng quán tính, điều khiển tần số sơ cấp, hỗ trợ điện áp và khả năng vượt qua sự cố (FRT – Fault Ride-Through), qua đó tăng cường độ ổn định và khả năng chống chịu của hệ thống điện. Công nghệ tạo lưới (grid-forming) là yếu tố then chốt để thực hiện sự chuyển đổi này.

2.5 Chuyển đổi từ O&M phản ứng sang O&M chủ động

• Những điểm yếu của hình thức vận hành & bảo dưỡng truyền thống: Môi trường ngoài khơi khắc nghiệt, khó tiếp cận và sự phụ thuộc lớn vào tàu chuyên dụng hoặc trực thăng khiến chi phí vận hành và bảo dưỡng rất cao, chiếm khoảng 25–30% tổng chi phí. Các phương pháp bảo dưỡng truyền thống như “chạy đến khi hỏng” (run-to-failure) hoặc bảo dưỡng theo lịch trình thường kém hiệu quả, có thể dẫn đến việc phải dừng máy không theo kế hoạch trong thời gian kéo dài, chi phí sửa chữa cao, tổn thất sản lượng điện lớn và tăng nguy cơ rủi ro về an toàn.
• ​​Chuyển đổi sang vận hành & bảo dưỡng thông minh: Việc ứng dụng mạng lưới cảm biến tiên tiến, công nghệ giám sát và chẩn đoán tình trạng thiết bị (Condition Monitoring and Diagnostics - CM&D), phân tích dữ liệu lớn, trí tuệ nhân tạo và công nghệ bản sao số (digital twin) cho phép giám sát theo thời gian thực tình trạng của các bộ phận quan trọng của tuabin (như cánh tuabin, hộp số, máy phát, ổ trục), chẩn đoán lỗi sớm và chính xác, dự đoán tuổi thọ còn lại và thực hiện quản lý sức khỏe của thiết bị. Điều này thúc đẩy mô hình vận hành & bảo dưỡng chuyển sang hướng “bảo dưỡng dự đoán” và “bảo dưỡng chủ động”, từ đó cải thiện đáng kể hiệu quả vận hành & bảo dưỡng, độ sẵn sàng thiết bị và hiệu quả kinh tế của toàn trang trại điện gió.

3. Những thách thức kỹ thuật chính và chiến lược ứng phó

3.1 Thách thức 1: Vấn đề tải trọng do quy mô công suất lớn

• ​​ Phân tích vấn đề:
  • Tải trọng lớn: Các tháp tuabin và tuabin cánh dài (chiều dài >110m) chịu tải trọng gió cực lớn, tải trọng trọng lực và tải trọng quán tính lớn tăng đánh kể, gây ra những thách thức chưa từng có đối với độ bền kết cấu, độ cứng và tuổi thọ thiết bị. Các mô men uốn cánh (theo chiều lưỡi cánh và theo chiều cạnh) và mô men đáy tháp đạt đến giá trị rất lớn.
  • Tải trọng mất cân bằng: Biến thiên lớn về tốc độ gió, hướng gió và cường độ nhiễu động (hiện tượng gió đứt – wind shear, hiệu ứng bóng tháp – tower shadow) trên diện tích quét rộng của tuabin gây ra mất cân bằng nghiêm trọng về tải khí động trên mặt phẳng rotor. Điều này không chỉ làm gia tăng độ mỏi kết cấu mà còn ảnh hưởng đến sự ổn định phát điện và tuổi thọ tổ máy.
• ​​ Chiến lược và công nghệ ứng phó:​​
  • Ứng dụng vật liệu tiên tiến – Cánh bằng sợi carbon tổng hợp: Sợi carbon có tỷ số độ bền riêng và mô đun đàn hồi riêng rất cao, là vật liệu then chốt để chế tạo cánh dài siêu nhẹ, độ cứng cao và chịu lực tốt. Việc sử dụng dầm cánh hoặc toàn bộ cánh bằng sợi carbon giúp giảm khối lượng (giảm tải trọng trọng lực và quán tính), đồng thời tăng độ cứng uốn và khả năng chịu mỏi rất hiệu quả – đây là giải pháp trọng tâm để giải quyết bài toán tải trọng lớn. Đồng thời, việc tối ưu hóa thiết kế khí động cánh (ví dụ: kết hợp uốn-xoắn) cũng giúp giảm tải trọng.
  • Công nghệ điều khiển tiên tiến – Điều khiển góc nghiêng cánh độc lập (IPC): Hệ thống điều khiển góc nghiêng cánh truyền thống theo nhóm không thể xử lý các tải trọng mất cân bằng trên mặt phẳng rotor. Bằng cách điều chỉnh độc lập và linh hoạt từng góc cánh theo thời gian thực, công nghệ IPC cho phép bù chính xác các tải trọng khí động mất cân bằng định kỳ do hiện tượng gió đứt, bóng tháp… gây ra. Công nghệ này giúp giảm đáng kể các tải mỏi chính (ví dụ: mô men uốn theo chiều cánh) tại gốc cánh và trục chính, từ đó kéo dài tuổi thọ của các bộ phận quan trọng. IPC là công nghệ không thể thiếu đối với các công suất lớn lớn. Việc kết hợp công nghệ IPC với điều khiển tiên đoán (feedforward control) sử dụng phản hồi mức tải (load feedback) có thể nâng cao hiệu quả điều khiển.
  • Tối ưu hóa kết cấu và công nghệ giảm chấn thông minh: Ứng dụng các kỹ thuật phân tích phần tử hữu hạn và tối ưu hóa cấu trúc tiên tiến để thiết kế kết cấu nhẹ và đáng tin cậy cho các bộ phận chính như tháp và móng. Nghiên cứu ứng dụng các thiết bị thông minh (như bộ giảm chấn kết cấu mới) hoặc công nghệ điều khiển kết cấu chủ động nhằm giảm rung.

3.2 Thách thức 2: Vấn đề truyền tải và xây dựng hạ tầng tại vùng biển sâu

• ​​ Phân tích vấn đề: ​​
  • Khoảng cách truyền tải xa, tổn thất lớn: Các trang trại điện gió vùng biển sâu thường nằm cách xa bờ. Truyền tải điện xoay chiều (AC) bị hạn chế về mặt kinh tế và công nghệ do tổn thất từ hiệu ứng điện dung và độ ổn định điện áp kém trên khoảng cách xa.
  • Điều kiện biển phức tạp, độ sâu nước tăng: Môi trường vùng biển sâu thường khắc nghiệt hơn (gió và sóng mạnh hơn, điều kiện địa hình đáy biển phức tạp hơn), trong khi độ sâu nước tăng đáng kể (trên 50m, thậm chí vượt quá 100m). Chi phí xây móng cố định truyền thống (ví dụ: móng cọc đơn - monopile, móng giàn – jacket) tăng theo cấp số nhân khi độ sâu nước tăng, làm giảm đáng kể tính khả thi về mặt kỹ thuật – kinh tế.
  • Độ khó thi công và lắp đặt tăng đáng kể: Công tác vận hành ở vùng biển sâu bị giới hạn do khoảng thời gian tiết thuận lợi thường ngắn, đòi hỏi tàu lắp đặt phải có công suất lớn hơn, công nghệ thi công và hệ thống hậu cần tiên tiến hơn hơn, dẫn đến rủi ro và chi phí tăng cao.
• ​​ Chiến lược và công nghệ ứng phó: ​​
  • Công nghệ truyền tải tiên tiến – Truyền tải điện một chiều điện áp cao linh hoạt (HVDC Flexible): Đây được xem là “chuẩn vàng” cho kết nối điện lưới các trang trại điện gió ngoài khơi vùng biển sâu. Hệ thống HVDC sử dụng bộ chuyển đổi nguồn điện áp (Voltage Source Converter - VSC) có nhiều ưu điểm vượt trội như điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng, không phụ thuộc vào điện áp chuyển mạch từ lưới, khả năng cấp điện cho lưới thụ động và dễ dàng xây dựng hệ thống lưới điện một chiều đa đầu cuối (Multi-terminal DC – MTDC). Công nghệ này đặc biệt phù hợp cho truyền tải xa và công suất lớn ngoài khơi. Hiện nay, các hệ thống có điện áp đến ±525kV hoặc cao hơn đang được phát triển nhằm giảm tổn thất và tối ưu chi phí. Trong khi đó, truyền tải điện xoay chiều điện áp cao (HVAC) kết hợp với bù công suất phản kháng động (ví dụ: STATCOM) vẫn khả thi đối với các khoảng cách trung bình (dưới 100 km).

Hình 3. So sánh tính kinh tế của các chế độ truyền tải khác nhau cho tua-bin gió ngoài khơi

• Công nghệ móng nổi: Đối với vùng nước sâu (trên 50–60m), các kết cấu móng nổi (ví dụ: kiểu bán chìm – Semi-submersible, kiểu nền tảng chân căng – Tension Leg Platform - TLP, kiểu cột trụ – Spar) là lựa chọn khả thi duy nhất. Các thách thức chính tập trung vào động lực học liên hợp phức tạp giữa tuabin – thân nổi – hệ thống neo, điều khiển chuyển động, thiết kế cáp động và kiểm soát chi phí. Thông qua việc thiết kế tối ưu kết cấu nổi, ứng dụng vật liệu neo tiên tiến (ví dụ: dây cáp sợi tổng hợp), phát triển công nghệ điều khiển giảm dao động thông minh và hạ giá thành nhờ sản xuất quy mô lớn, công nghệ điện gió nổi đang tiến nhanh tới giai đoạn thương mại hóa.
• Thiết kế mô-đun và thi công thông minh: Áp dụng mức độ thiết kế mô-đun cao hơn, thực hiện phần lớn công đoạn lắp ráp trên bờ nhằm giảm khối lượng công việc và thời gian thi công ngoài khơi. Phát triển các tàu lắp đặt chuyên dụng có kích thước lớn hơn, khả năng chuyên biệt cao hơn và thích ứng tốt hơn với điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Ứng dụng công nghệ mô phỏng tiên tiến để tối ưu hóa quy trình thi công và quản lý rủi ro.

3.3 Thách thức 3: Vấn đề hiệu ứng đuôi gió ngoài khơi

• ​​ Phân tích vấn đề:​​
  • Tác động đuôi gió nghiêm trọng hơn: Các tuabin công suất lớn tạo ra vùng đuôi gió dài hơn và khả năng phục hồi chậm hơn. Trong môi trường ranh giới khí quyển ngoài khơi – vốn thường ổn định hơn so với trong đất liền – đuôi gió có thể kéo dài xa hơn nhiều (lên đến hàng chục km), ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất của các tuabin phía sau (tổn thất công suất có thể đạt từ 5% đến 20%).
  • Giảm hiệu suất phát điện cụm: Hiện tượng chồng lấn đuôi gió làm giảm đáng kể tổng sản lượng điện của toàn bộ cụm trang trại điện gió.
  • Tăng tải trọng mỏi: Các tuabin phía sau khi hoạt động trong vùng đuôi gió không chỉ giảm sản lượng điện mà còn chịu nhiễu động mạnh hơn, dẫn đến tải trọng mỏi cơ học cao hơn và rút ngắn tuổi thọ các bộ phận cơ khí.
• ​​ Chiến lược và công nghệ ứng phó:​​
  • Điều khiển tối ưu hóa đuôi gió dựa trên phối hợp cụm: Đây là chiến lược cốt lõi nhằm giảm thiểu tác động của hiệu ứng đuôi gió. Thông qua hệ thống điều khiển phối hợp cụm, điều chỉnh chủ động trạng thái vận hành của các tuabin đầu gió (chủ yếu là góc lệch giữa tuabin và hướng gió – yaw, góc nghiêng cánh tuabin – pitch) để “đánh lái” hoặc “phân tán” luồng đuôi gió, nhằm chuyển hướng dòng đuôi gió ra khỏi các tuabin quan trọng phía sau.
    • Chuyển hướng đuôi gió bằng cách làm lệch hướng góc lệch giữa tuabin và hướng gió – yaw: Điều khiển các tuabin đầu dòng gió quay lệch một góc vừa phải (lệch hướng so với hướng gió), làm thay đổi hướng đường tâm của luồng đuôi để nó lệch sang phía bên của các tuabin phía sau.
    • Mở rộng đuôi gió bằng điều biến góc nghiêng cánh - pitch: Giảm nhẹ lực đẩy của các tuabin đầu dòng (bằng cách tăng góc nghiêng cánh), giúp giảm chênh lệch vận tốc trong vùng đuôi và tăng tốc độ phục hồi dòng gió.
  • Tối ưu hóa bố trí tuabin thông minh: Ngay từ giai đoạn quy hoạch trang trại điện gió, sử dụng các mô hình mô phỏng đuôi gió có độ chính xác cao CFD (như LES, RANS kết hợp với mô hình đĩa/dòng tác động) cùng với các thuật toán tối ưu hóa (ví dụ: các thuận toán phát sinh), kết hợp với dữ liệu đặc trưng tài nguyên gió tại khu vực, để bố trí vị trí tuabin một cách tối ưu, sao cho tối đa hóa việc khai thác năng lượng gió và giảm thiểu ảnh hưởng của đuôi gió. Đặc biệt cần chú ý đến tác động của phân bố tần suất hướng gió.
  • Mô hình đuôi gió và việc nâng cao độ chính xác dự báo: Liên tục cải tiến mô hình vật lý của đuôi gió, tích hợp mô phỏng số độ chính xác cao, dữ liệu đo từ thiết bị LiDAR và các phương pháp học máy (machine learning), nhằm phát triển mô hình dự báo đuôi gió có độ chính xác cao hơn, thời gian xử lý nhanh hơn, đáp ứng yêu cầu điều khiển theo thời gian thực.

3.4 Thách thức 4: Vấn đề hỗ trợ lưới điện

• ​​ Phân tích vấn đề:​​
  • Giảm quán tính hệ thống: Việc gia tăng tuabin gió sử dụng giao diện điện tử công suất (power electronics) thay thế cho các máy phát điện đồng bộ truyền thống đã làm giảm đáng kể quán tính quay của toàn bộ hệ thống, làm giảm độ ổn định tần số.
  • Khả năng hỗ trợ điện áp hạn chế: Các tuabin gió vận hành theo chế độ “theo lưới” (grid-following) truyền thống dễ mất ổn định hoặc bị ngắt kết nối khi có sự cố lưới hoặc dao động, không thể hỗ trợ điện áp hiệu quả.
  • Thách thức trong điều kiện lưới yếu / vận hành biệt lập: Đối với các trang trại gió vùng biển sâu khi nối lưới, kết nối có thể bị yếu do đường truyền dài, hoặc hình thành các vi lưới biệt lập (islanded microgrids), đặt ra yêu cầu nghiêm ngặt về khả năng vận hành tự chủ và khả năng “tạo lưới” (grid-forming) của tuabin.
• ​​ Chiến lược và công nghệ ứng phó:​​
  • Công nghệ tuabin gió tạo lưới (Grid-forming): Đây là công nghệ đột phá, cho phép chuyển đổi tuabin gió từ vai trò “theo lưới” sang “hỗ trợ” hoặc “tạo lưới.” Bộ chuyển đổi công suất có khả năng tạo lưới (grid-forming converter) sử dụng các thuật toán điều khiển nội bộ (ví dụ: máy đồng bộ ảo – Virtual Synchronous Machine-VSM, điều khiển droop, điều khiển matching) để mô phỏng các đặc tính cốt lõi của máy phát đồng bộ:
    • Tự thiết lập và duy trì điện áp/tần số lưới: Có thể “tạo ra” dạng sóng điện áp xoay chiều ổn định từ đầu, cấp điện cho các hệ thống thụ động, mà không cần tín hiệu đồng bộ từ lưới ngoài.
    • Cung cấp phản ứng quán tính và điều khiển tần số sơ cấp: Bằng cách mô phỏng các phương trình chuyển động của rotor của máy đồng bộ thông qua các thuật toán điều khiển, chủ động giải phóng/hấp thụ năng lượng (động năng) trong quá trình thay đổi tần số hệ thống, ngăn chặn tốc độ thay đổi tần số (phản ứng quán tính) và tham gia vào quá trình điều khiển tần số chính.
    • Tăng cường khả năng chịu sự cố đoản mạch và cải thiện độ ổn định: Có khả năng hỗ trợ dòng đoản mạch tốt hơn khi xảy ra sự cố lưới, giúp duy trì điện áp tại điểm sự cố và cải thiện độ ổn định toàn hệ thống.
  • Nâng cao khả năng vượt sự cố (Fault Ride-Through – FRT): Kết hợp với công nghệ tạo lưới, tuabin cần có khả năng duy trì kết nối trong các tình huống sự cố điện lưới khác nhau (điện áp đi qua cao/thấp, đối xứng/bất đối xứng), hỗ trợ công suất phản kháng và nhanh chóng phục hồi phát công suất tác dụng sau khi sự cố được khắc phục.
  • Điều khiển phối hợp ở cấp độ trang trại: Tích hợp công nghệ tuabin tạo lưới với hệ thống điều khiển tập trung của toàn trang trại điện gió nhằm phối hợp công suất giữa các tuabin trong trang trại điện gió (kết hợp giữa tạo lưới và theo lưới), tối ưu hóa việc cung cấp điều chỉnh tần số, công suất dự phòng và các dịch vụ phụ trợ khác, qua đó hiện thực hóa khả năng điều độ linh hoạt của trang trại điện gió.
  • Bảng 1. Các chức năng kỹ thuật của tua bin gió tạo lưới

3.5 Thách thức 5: Vấn đề vận hành và bảo dưỡng (O&M) ngoài khơi

• ​​ Phân tích vấn đề:​​
  • Khó tiếp cận, chi phí cao: Môi trường ngoài khơi khắc nghiệt, phương tiện di chuyển phụ thuộc vào tàu chuyên dụng hoặc trực thăng, khoảng thời gian thời tiết thuận lợi ngắn, rủi ro an toàn lao động cao – tất cả dẫn đến chi phí O&M rất lớn.
  • Khó khăn trong chẩn đoán sự cố: Tình trạng của các bộ phận quan trọng (ví dụ: cấu trúc bên trong cánh, ổ trục hộp số) khó quan sát trực tiếp; các đặc điểm lỗi ban đầu khó nhận biết và dễ bị che khuất bởi tiếng ồn.
  • Các quyết định O&M phụ thuộc vào kinh nghiệm: Thiếu cơ sở dữ liệu cho việc lập kế hoạch O&M truyền thống, dẫn đến khó khăn trong phân bổ tối ưu nguồn lực và tài nguyên.
• ​​ Chiến lược và công nghệ ứng phó:​​
  • Công nghệ kiểm tra thông minh:
    • Kiểm tra tự động bằng thiết bị bay không người lái (drone): Drone được trang bị camera độ phân giải cao, thiết bị đo nhiệt và LiDAR có thể thực hiện kiểm tra cận cảnh một cách hiệu quả và an toàn các cấu trúc bên ngoài như bề mặt cánh (nứt, ăn mòn, cháy sét), thân tháp và móng. Kết hợp với công nghệ nhận diện hình ảnh bằng AI, có thể tự động nhận dạng và định lượng mức độ hư hại.
    • Robot dưới nước (ROV/AUV): Sử dụng để kiểm tra các kết cấu dưới nước như móng, cáp ngầm và hệ thống bảo vệ xói lở đáy biển.
  • Giám sát tình trạng và chẩn đoán thông minh:
    • Mạng lưới giám sát hợp nhất đa cảm biến: Triển khai hệ thống cảm biến đa dạng (dao động, phát sóng âm, phân tích mạt kim loại trong dầu, nhiệt độ, biến dạng, thông số điện) tại các bộ phận then chốt để thu thập dữ liệu trạng thái đa chiều theo thời gian thực.
    • Phân tích dữ liệu lớn và chẩn đoán bằng AI: Ứng dụng các thuật toán học máy (machine learning) như học sâu (deep learning), máy vector hỗ trợ (Support Vector Machines - SVM), và các kỹ thuật xử lý tín hiệu như biến đổi wavelet (wavelet transform), phân tích chế độ thực nghiệm (Mode Decomposition - EMD) nhằm trích xuất các đặc điểm, phát hiện dị thường, nhận diện kiểu lỗi và thực hiện chẩn đoán thông minh trên khối lượng dữ liệu giám sát lớn. Nhờ đó đưa ra các cảnh báo lỗi sớm (ví dụ: ổ trục bị mòn nhẹ, vết nứt nhẹ trên cánh tuabin).
    • Dự báo tuổi thọ còn lại: Dựa trên sự kết hợp giữa các mô hình vật lý và mô hình dữ liệu, dự đoán tuổi thọ còn lại của các bộ phận chính làm cơ sở cho bảo dưỡng dự báo.
  • Công nghệ bản sao số (Digital Twin):
    • Xây dựng gương phản chiếu ảo chất lượng cao: Thiết lập mô hình mô phỏng đa vật lý độ chính xác cao, tích hợp các đặc tính vật lý của tuabin, logic điều khiển và môi trường vận hành (gió, sóng, dòng chảy).
    • Lập bản đồ và dự đoán trạng thái: Dựa trên dữ liệu thời gian thực, giữ cho bản sao số luôn đồng bộ với trạng thái tuabin thực tế. Sử dụng bản sao số để đánh giá trạng thái, dự báo hiệu suất, mô phỏng lỗi, đồng thời mô phỏng và tối ưu hóa chiến lược vận hành – bảo dưỡng.
    • Hỗ trợ tối ưu hóa quyết định: Dựa trên các thông tin dự báo do bản sao số cung cấp (ví dụ: tình trạng của bộ phận thiết bị, dự báo khoảng thời gian thời tiết thuận lợi, dự đoán hiệu quả bảo dưỡng), xây dựng kế hoạch bảo dưỡng tối ưu và phân bổ nguồn lực (nhân lực, tàu chuyên dụng, phụ tùng thay thế), nhằm giảm thiểu chi phí O&M và tối đa hóa sản lượng điện.

Hình 4. Nền tảng Fengyun

4. Kết luận và Triển vọng

Điện gió ngoài khơi là động lực then chốt để đạt được các mục tiêu chuyển đổi năng lượng toàn cầu. Thiết bị cốt lõi của điện gió ngoài khơi – tuabin gió ngoài khơi thông minh – đang trải qua một làn sóng đổi mới công nghệ chưa từng có. Việc mở rộng quy mô công suất, phát triển ra các vùng biển sâu, điều phối theo cụm, nâng cao khả năng hỗ trợ lưới điện và thông minh hóa vận hành - bảo dưỡng là các đường hướng chính rõ ràng và là xu hướng phát triển tất yếu trong tương lai. Mặc dù các xu hướng này thúc đẩy mạnh mẽ việc giảm chi phí, nâng cao hiệu suất và khai thác tiềm năng nguồn tài nguyên rộng lớn, các xu hướng này cũng đồng thời đặt ra những thách thức kỹ thuật nghiêm trọng.

Trong đó, các tuabin quy mô công suất lớn phải đối mặt với những thách thức về tải trọng cấu trúc chưa từng có. Ứng dụng sáng tạo vật liệu sợi carbon và công nghệ tiên tiến điều khiển góc nghiêng cánh độc lập (IPC) đã trở thành hai trụ cột kỹ thuật đảm bảo an toàn cấu trúc và vận hành tin cậy. Việc mở rộng ra vùng biển sâu dựa vào công nghệ truyền tải điện một chiều điện áp cao linh hoạt (HVDC Flexible) là giải pháp duy nhất hiệu quả cho truyền tải điện công suất lớn, khoảng cách xa; đồng thời, đột phá trong công nghệ móng nổi là chìa khóa mở ra nguồn năng lượng gió ở vùng nước sâu. Hiệu ứng đuôi gió ngoài khơi phức tạp với nhiều biến đổi gây ra những hạn chế đối với hiệu quả tổng thể của các cụm tuabin lớn. Điều khiển tối ưu hóa phối hợp theo cụm sử dụng trí tuệ nhân tạo và dữ liệu lớn đang trở thành công cụ cốt lõi nâng cao khả năng thu nhận gió và giảm chi phí mỏi cơ học. Cùng với sự thâm nhập gia tăng đột biến của năng lượng tái tạo, vai trò “theo lưới” truyền thống không còn đáp ứng yêu cầu ổn định của hệ thống điện mới. Thông qua việc mô phỏng các đặc tính máy đồng bộ, công nghệ tuabin tạo lưới (grid-forming) đã trao cho điện gió khả năng chủ động hỗ trợ lưới điện, là bước chuyển đổi công nghệ then chốt đảm bảo an ninh và ổn định hệ thống điện tương lai. Đối mặt với chi phí vận hành - bảo dưỡng cao do điều kiện biển khắc nghiệt, hệ thống vận hành bảo dưỡng thông minh tích hợp kiểm tra bằng drone, giám sát trạng thái đa cảm biến, chẩn đoán và dự báo bằng AI cùng công nghệ bản sao số chất lượng cao đang cơ bản chuyển đổi mô hình vận hành bảo dưỡng ngoài khơi từ phản ứng thụ động sang dự báo chủ động, cải thiện đáng kể độ sẵn sàng thiết bị và hiệu quả kinh tế.

Nhìn về tương lai, sự phát triển của tuabin gió ngoài khơi thông minh sẽ ngày càng dựa vào tích hợp công nghệ liên ngành, liên lĩnh vực và tổng hợp hệ thống. Sự hội tụ sâu sắc của các ngành khoa học vật liệu, cơ học chất lưu, điện tử công suất, lý thuyết điều khiển, trí tuệ nhân tạo, kỹ thuật đại dương và công nghệ thông tin - truyền thông sẽ tiếp tục thúc đẩy các đột phá mang tính cách mạng. Sự kết hợp giữa điện gió nổi với các mô hình đa năng lượng bổ trợ như nuôi trồng thủy sản biển, sản xuất hydro và lưu trữ năng lượng sẽ mở ra nhiều kịch bản ứng dụng rộng hơn. Việc ứng dụng quy mô lớn công nghệ tạo lưới sẽ tái định hình cảnh quan của hệ thống điện. Công nghệ bản sao số sẽ mở rộng từ cấp tuabin đơn lẻ lên cấp trang trại điện gió, thậm chí lên đến cấp hệ thống năng lượng vùng, cho phép quản lý khép kín thông minh theo vòng đời. Hỗ trợ chính sách liên tục, nâng cao tiêu chuẩn, đổi mới hợp tác xuyên chuỗi ngành và hợp tác quốc tế sẽ là nền tảng vững chắc thúc đẩy việc thực hiện các đột phá công nghệ này và đẩy nhanh phát triển điện gió ngoài khơi chất lượng cao. Chỉ có liên tục vượt qua các nút thắt kỹ thuật then chốt và không ngừng nâng cao trình độ thông minh mới giúp tuabin gió ngoài khơi thông minh đóng vai trò trụ cột quan trọng hơn trong xây dựng hệ thống năng lượng hiện đại sạch, ít carbon, an toàn và hiệu quả.

Tài liệu tham khảo:

[01] Global Wind Energy Council (GWEC). Global Wind Report 2023.
[02] Musial, W., et al. (2020). Offshore Wind Technology Data Update. NREL/TP-5000-77411. National Renewable Energy Laboratory.
[03] Veers, P., et al. (2019). Grand challenges in the science of wind energy. Science, 366(6464), eaau2027.
[04] Bossanyi, E. A. (2003). Individual blade pitch control for load reduction. Wind Energy, 6(2), 119-128.
[05] Flannery, B. P., & Venkataramanan, G. (2008). Grid-forming power converters for renewable energy sources. Proceedings of the IEEE Power and Energy Society General Meeting.
[06] Gebraad, P. M. O., et al. (2017). Wind plant power optimization through yaw control using a parametric model for wake effects-a CFD simulation study. Wind Energy Science, 2(1), 115-131.
[07] Jonkman, J., et al. (2009). Definition of a 5-MW reference wind turbine for offshore system development. NREL/TP-500-38060.
[08] Tavner, P. (2012). Offshore Wind Turbines: Reliability, Availability and Maintenance. IET.
[09] Tao, F., et al. (2019). Digital twin in industry: State-of-the-art. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 15(4), 2405-2415.
[10] International Electrotechnical Commission (IEC). IEC 61400 series standards for wind turbines.

Liu Xiaoxia - Li Jun - Zhang Gaoyuan