Tóm tắt: Bài viết trình bày về xu hướng tất yếu của việc áp dụng công nghệ tạo lưới (Grid-Forming - GFM) cho các hệ thống pin lưu trữ năng lượng (BESS) trong hệ thống điện. Trong bối cảnh gia tăng mạnh mẽ các nguồn năng lượng tái tạo sử dụng biến tần như điện mặt trời, điện gió, việc ứng dụng BESS kết hợp GFM là giải pháp then chốt để khắc phục các rào cản về tính ổn định, bù đắp sự suy giảm quán tính cơ học và đảm bảo an ninh năng lượng cho hệ thống điện hiện đại.

1. Thách thức của hệ thống điện khi gia tăng nguồn điện dựa trên biến tần (IBR) 

Để giải quyết các thách thức về khí hậu, các chính phủ trên toàn thế giới đang thúc đẩy chính sách năng lượng tái tạo. Điều này dẫn đến sự gia tăng mạnh mẽ các nguồn năng lượng phân tán (DER) như điện gió và điện mặt trời trong hệ thống truyền tải và phân phối, làm thay đổi hoàn toàn hành vi động học của hệ thống điện. Tuy nhiên, do phụ thuộc trực tiếp vào điều kiện thời tiết, các nguồn năng lượng tái tạo này có đặc tính đầu ra không ổn định và thường hoạt động dựa trên nguyên tắc theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT - Maximum Power Point Tracking) vì mục đích kinh tế. 

Sự gia tăng của các nguồn điện dựa trên biến tần (IBR - Inverter-Based Resources) đi kèm với sự giảm sút số lượng và tổng công suất phát của các máy phát điện đồng bộ truyền thống. Hệ quả tất yếu là hệ thống điện bị giảm quán tính cơ học, giảm khả năng hỗ trợ công suất phản kháng tức thời và giảm khả năng cung cấp dòng điện ngắn mạch dẫn đến tỷ số ngắn mạch hệ thống thấp (còn gọi là giảm độ mạnh của hệ thống). Độ mạnh hệ thống giảm làm tăng độ nhạy điện áp, dẫn đến nguy cơ làm mất khả năng giảm dao động và giảm sự đồng bộ của lưới điện, đặc biệt khi các vòng điều khiển cực nhanh của IBR không được tinh chỉnh phù hợp.

2. Các công nghệ điều khiển biến tần: Grid-Following (GFL) và Grid-Forming (GFM) 

Việc kết nối các nguồn IBR hoặc lưới điện nhỏ vào lưới điện quốc gia được thực hiện thông qua bộ biến tần. Dựa trên đặc tính tương tác với lưới điện, các biến tần hiện nay được chia thành hai nhóm công nghệ chính.

Bảng: So sánh đặc tính của công nghệ GFL và GFM

Tiêu chí	Grid-Following (GFL)	Grid-Forming (GFM)
Nguyên lý hoạt động	Hoạt động như một nguồn dòng điều khiển bơm dòng điện vào lưới.	Hoạt động như một nguồn áp điều khiển, mô phỏng đặc tính của máy phát đồng bộ.
Đặc tính trở kháng	Trở kháng cao mắc song song với nguồn.	Trở kháng thấp mắc nối tiếp với nguồn.
Cơ chế đồng bộ	Cần cơ chế điều khiển vòng khóa pha (Phase Locked Loop - PLL) để liên tục đồng bộ với điện áp lưới tại điểm nối lưới (PCC).	Tự tạo điện áp và tần số tham chiếu riêng; không cần đồng bộ hóa liên tục qua PLL trong quá trình hoạt động bình thường.
Chế độ độc lập (Island mode)	Không thể hoạt động độc lập khi mất điện lưới quốc gia.	Có khả năng hoạt động ở chế độ độc lập khi mất điện lưới quốc gia.
Mục tiêu điều khiển	Tập trung bơm công suất tác dụng (với MPPT), hỗ trợ rất ít công suất phản kháng.	Điều chỉnh và duy trì điện áp, tần số hệ thống ổn định.

Hình 1: Kiến trúc điều khiển tổng quát của GFL khi kết nối với lưới điện.

Hình 2: Kiến trúc điều khiển tổng quát của GFM với kết nối lưới điện.

3. Ưu điểm của Công nghệ Grid-Forming (GFM)

Công nghệ Grid-Forming (GFM) mang lại những ưu điểm vượt trội so với công nghệ Grid-Following (GFL) truyền thống, đặc biệt trong bối cảnh hệ thống điện ngày càng gia tăng tỷ trọng năng lượng tái tạo (các nguồn điện dựa trên biến tần - IBR). Dưới đây là những phân tích chi tiết về các ưu điểm cốt lõi của công nghệ này:

i. Hoạt động như một nguồn áp điều khiển, mô phỏng máy phát đồng bộ 

Khác với GFL (hoạt động như một nguồn dòng điều khiển bơm dòng điện vào lưới với trở kháng cao), bộ biến tần GFM hoạt động như một nguồn điện áp điều khiển có trở kháng thấp mắc nối tiếp với nguồn. Nhờ kiến trúc này, GFM có khả năng mô phỏng các đặc tính hoạt động của một máy phát điện đồng bộ truyền thống. Thay vì chỉ chạy theo lưới điện, công nghệ này chủ động điều chỉnh và duy trì điện áp cũng như tần số của hệ thống luôn ở mức ổn định.

ii. Khả năng vận hành độc lập (Island mode) và tự đồng bộ 

Một trong những ưu điểm lớn nhất của GFM là khả năng tự tạo ra điện áp và tần số tham chiếu riêng. Nhờ đó, hệ thống trang bị GFM có thể tự vận hành ổn định ở chế độ độc lập ngay cả khi không có lưới điện quốc gia. Hơn nữa, quá trình đồng bộ hóa của GFM chỉ cần thực hiện ở giai đoạn đầu hoạt động giống như máy phát đồng bộ. Trong quá trình vận hành bình thường, nó không cần phải đồng bộ hóa liên tục với lưới điện thông qua vòng khóa pha (PLL) như công nghệ GFL.

iii. Giải quyết triệt để bài toán "lưới điện yếu" và suy giảm quán tính 

Sự bùng nổ của năng lượng tái tạo (điện mặt trời, điện gió) làm giảm số lượng máy phát điện quay, dẫn đến hệ thống bị giảm quán tính cơ học và giảm khả năng cung cấp dòng điện ngắn mạch (làm giảm độ mạnh hệ thống), độ nhạy điện áp tăng cao dễ làm lưới điện mất ổn định. Kiến trúc GFM chính là giải pháp khả thi hàng đầu cho các điều kiện lưới điện yếu nhờ khả năng tự thiết lập điện áp và tần số. Nó giúp bù đắp sự thiếu hụt quán tính cơ học của các tổ máy phát điện truyền thống, hỗ trợ hệ thống đứng vững trước các nhiễu loạn như thay đổi tải đột ngột hoặc sự cố ngắn mạch.

iv. Mang lại hiệu quả kinh tế lớn và tối ưu hóa năng lượng tái tạo 

Hiện nay, nếu tiếp tục bổ sung các hệ thống lưu trữ BESS dùng công nghệ GFL tại những khu vực có mật độ năng lượng tái tạo cao, lưới điện sẽ càng yếu đi, làm giảm biên độ ổn định. Hậu quả tất yếu là phải cắt giảm sản lượng điện giá rẻ từ các nhà máy điện gió và điện mặt trời hiện hữu, gây lãng phí nghiêm trọng. Trong khi đó hệ thống BESS dùng công nghệ GFM sẽ khắc phục nhược điểm trên, tăng khả năng tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo như điện gió và điện mặt trời, mang lại hiệu quả kinh tế cho hệ thống điện.

4. Cấu trúc hệ thống pin lưu trữ năng lượng (BESS) 

Để giải quyết bài toán dao động công suất do năng lượng tái tạo mang lại, BESS là lựa chọn tối ưu nhờ khả năng lưu trữ, trao đổi năng lượng hai chiều và phản hồi đầu ra nhanh chóng. Hệ thống BESS bao gồm 3 khối cấu phần chính:

• Khối Pin: Gồm các cell pin được sắp xếp thành mô-đun; hệ thống quản lý pin (BMS) giúp giám sát trạng thái sạc (SOC) và trạng thái sức khỏe (SOH), bảo vệ cell pin; cùng hệ thống quản lý nhiệt độ pin (B-TMS).
• Khối kết nối lưới: Gồm biến tần hoặc hệ thống chuyển đổi điện năng (PCS) hai chiều để biến đổi dòng điện một chiều (DC) từ pin sang xoay chiều (AC) cho lưới điện; đi kèm thiết bị đóng cắt và bộ lọc sóng hài.
• Khối vận hành: Hệ thống quản lý năng lượng (EMS) đóng vai trò điều phối chung toàn bộ dòng năng lượng, thu thập dữ liệu và ra lệnh điều khiển phối hợp nhịp nhàng giữa BMS và PCS.

Hình 3: Cấu trúc hệ thống pin lưu trữ năng lượng (BESS).

5. Hệ thống BESS tích hợp biến tần GFM: Giải pháp cho lưới điện tương lai 

Hiện nay, do chưa có các quy định bắt buộc, hầu hết các hệ thống BESS trên lưới đều đang ứng dụng điều khiển GFL. Trong những khu vực có mật độ IBR cao, việc tiếp tục bổ sung thêm BESS dạng GFL sẽ càng làm hệ thống điện yếu đi, suy giảm biên độ ổn định dẫn đến việc buộc phải cắt giảm công suất phát của các nhà máy điện mặt trời và điện gió hiện hữu, gây lãng phí kinh tế. Nếu không trang bị GFM, hệ thống sẽ phải tốn kém thêm chi phí khổng lồ để đầu tư nâng cấp lưới, bổ sung máy phát đồng bộ hoặc các hệ thống STATCOM.

Việc tích hợp công nghệ GFM vào BESS chính là giải pháp khả thi và hiệu quả nhất để giải quyết bài toán suy giảm biên độ ổn định trên toàn hệ thống và tránh được tình trạng phải cắt giảm năng lượng tái tạo.

Hình 4: Giải pháp tích hợp công nghệ GFM vào BESS.

6. Kết luận 

Các cơ quan chức năng cần sớm ban hành Quy chuẩn kỹ thuật bắt buộc về chức năng Tạo lưới (GFM) đối với các hệ thống BESS quy mô lớn trước khi làn sóng dịch chuyển năng lượng bùng nổ quá kiểm soát. GFM không chỉ là một giải pháp công nghệ tăng cường, mà phải được xem là tiêu chuẩn kỹ thuật bắt buộc để bảo đảm an ninh, an toàn và hiệu quả kinh tế cho hệ thống điện trong tương lai.

Thực hiện: Trương Văn Cường – Lê Đức Thiện Vương 

Tài liệu tham khảo:

• CRC Press, Grid-Forming Power Inverters
• NERC, White paper: Grid forming functional specifications for BPS-Connected battery energy storage systems, September 2023.