Trong hệ thống điện truyền thống, sự ổn định của lưới điện phần lớn được đảm bảo bởi đặc tính vật lý của các nguồn phát. Các máy phát điện đồng bộ với khối lượng quay lớn cung cấp quán tính tự nhiên, giúp hệ thống hấp thụ các biến động công suất trong thời gian ngắn mà không cần đến sự can thiệp điều khiển phức tạp. Nhờ đó, các sai lệch về tần số và điện áp thường được điều chỉnh một cách thụ động trước khi các cơ chế điều khiển thứ cấp kịp phản ứng.

Tuy nhiên, khi tỷ trọng các nguồn năng lượng tái tạo như điện gió và điện mặt trời ngày càng gia tăng, cấu trúc này đang thay đổi một cách căn bản. Các nguồn phát dựa trên inverter không có quán tính vật lý, trong khi bản thân chúng lại có đặc tính biến động nhanh và khó dự đoán. Hệ quả là hệ thống điện trở nên nhạy hơn với các sai lệch công suất, tốc độ biến thiên tần số tăng lên, và khoảng thời gian để can thiệp điều khiển ngày càng bị thu hẹp.

Trong bối cảnh đó, BESS bắt đầu đóng vai trò như một lớp điều khiển linh hoạt, có khả năng can thiệp trực tiếp vào các biến số quan trọng của hệ thống như tần số, điện áp và cân bằng công suất. BESS vì thế không chỉ là thiết bị lưu trữ năng lượng, mà đang dần trở thành một thành phần vận hành chủ động của lưới điện hiện đại.

Trong bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ một số thông tin về ứng dụng dịch vụ phụ trợ (Ancillary services) của hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin.

Giữ ổn định tần số hệ thống theo thời gian thực (Frequency regulation)
Tần số lưới điện thường được duy trì ở mức 50 Hz hoặc 60 Hz (tùy theo quốc gia hoặc khu vực), và về bản chất, nó phản ánh trạng thái cân bằng tức thời giữa công suất phát và công suất tiêu thụ trong hệ thống. Khi nhu cầu tăng đột ngột hoặc một phần nguồn phát bị mất, công suất phát không còn đủ để đáp ứng tải, khiến hệ thống rơi vào trạng thái thiếu năng lượng và tần số bắt đầu giảm. Ngược lại, khi công suất phát vượt quá nhu cầu, phần năng lượng dư sẽ khiến tần số tăng lên.

Một điểm quan trọng là tần số không chỉ đơn thuần là chỉ số đo lường, mà là biểu hiện trực tiếp của trạng thái năng lượng quay trong toàn hệ thống. Khi xảy ra mất cân bằng, phần chênh lệch công suất sẽ được hấp thụ hoặc bù đắp thông qua năng lượng quán tính của các rotor máy phát. Sự thay đổi năng lượng này làm rotor tăng tốc hoặc giảm tốc, và vì tần số tỷ lệ trực tiếp với tốc độ quay, nên tần số cũng thay đổi tương ứng.

Vấn đề cốt lõi là sự mất cân bằng này có thể xảy ra trong thời gian rất ngắn, thậm chí dưới một giây, trong khi các nhà máy điện truyền thống không thể điều chỉnh đủ nhanh do giới hạn cơ học. Máy phát điện là một hệ quay có khối lượng và quán tính rất lớn, nên không thể thay đổi công suất tức thời. Khi cần tăng hoặc giảm điện phát, turbine phải điều chỉnh lưu lượng năng lượng đầu vào (hơi, nước, khí), trong khi các quá trình này đều có độ trễ vật lý và bị giới hạn bởi thiết kế cơ khí, hệ điều khiển và độ bền vật liệu. Vì vậy, công suất của các nhà máy truyền thống chỉ có thể thay đổi theo một tốc độ nhất định (ramp rate), thường chậm hơn nhiều so với tốc độ mất cân bằng có thể xảy ra trên hệ thống điện.

BESS có khả năng giải quyết bài toán này thông qua cơ chế điều khiển trực tiếp trên inverter, cho phép phản ứng gần như tức thời với các sai lệch tần số của hệ thống. Khác với các máy phát quay phải điều chỉnh công suất thông qua quá trình cơ học của turbine, BESS chuyển đổi năng lượng điện hóa thành công suất điện hoàn toàn bằng điện tử công suất, do đó không bị giới hạn bởi quán tính cơ học.

Trong quá trình vận hành, hệ thống điều khiển của BESS liên tục đo tần số lưới và xác định mức độ sai lệch so với giá trị danh định. Khi tần số giảm, phản ánh trạng thái thiếu công suất, BESS sẽ ngay lập tức tăng công suất phát ra lưới; ngược lại, khi tần số tăng, hệ thống sẽ giảm công suất phát hoặc chuyển sang hấp thụ điện. Mức công suất được điều chỉnh theo một hàm điều khiển liên tục, thường là dạng droop control (1), cho phép phản ứng không chỉ nhanh mà còn tỷ lệ với mức độ sai lệch của hệ thống.
(1) Droop control là một cơ chế điều khiển trong hệ thống điện, trong đó công suất phát (P) được điều chỉnh theo mức độ lệch của tần số (f).

Điểm khác biệt quan trọng không chỉ nằm ở tốc độ phản ứng, mà còn ở khả năng điều chỉnh mượt và chính xác trong suốt quá trình biến động, giúp giảm biên độ lệch tần số và hạn chế các dao động thứ cấp mà các tổ máy quay thường khó kiểm soát.

Một ví dụ điển hình là hệ thống điện tại Anh do National Grid ESO vận hành. Các hệ thống BESS tại đây có thể phản ứng trong thời gian dưới một giây, nhanh hơn đáng kể so với các nhà máy nhiệt điện truyền thống, qua đó giúp giảm chi phí điều độ và nâng cao độ ổn định tần số toàn hệ thống.

Dự phòng công suất phản ứng tức thời (Operating reserve/ Spinning reserve)
Trong vận hành hệ thống điện, luôn cần duy trì một lượng công suất dự phòng để xử lý các sự cố bất ngờ như mất nguồn phát hoặc tăng tải đột ngột. Trong hệ thống điện truyền thống, vai trò này được đảm nhiệm bởi spinning reserve (dự phòng quay), tức là các tổ máy đang vận hành nhưng chưa phát hết công suất. Để khi có sự cố xảy ra, các tổ máy này có thể nhanh chóng tăng công suất phát, bù đắp phần thiếu hụt và hạn chế sự suy giảm tần số của hệ thống.

Tuy nhiên, cơ chế này về bản chất không phải là một nguồn “phản ứng tức thời”. Mặc dù các tổ máy đã ở trạng thái đồng bộ và sẵn sàng, việc tăng công suất vẫn phải đi qua quá trình điều chỉnh cơ học của turbine và hệ thống điều khiển, khiến phản ứng diễn ra có độ trễ thay vì ngay lập tức. Trong khoảng thời gian ngắn này, sự mất cân bằng giữa cung và cầu vẫn tồn tại, và tần số hệ thống có thể tiếp tục lệch khỏi giá trị danh định trước khi được điều chỉnh trở lại.

Sự xuất hiện của BESS đã tạo ra một lớp dự phòng hoàn toàn khác về bản chất. Thay vì duy trì năng lượng dưới dạng động năng quay của các rotor, BESS lưu trữ năng lượng dưới dạng điện hóa và có thể chuyển đổi trực tiếp thành công suất điện gần như ngay lập tức thông qua inverter. Điều này giúp loại bỏ hoàn toàn độ trễ cơ học, cho phép hệ thống phản ứng trong thời gian tính bằng mili-giây. Quan trọng hơn, BESS không cần tiêu hao năng lượng liên tục để duy trì trạng thái sẵn sàng, giúp tiết kiệm một phần chi phí cho hệ thống điện.

Một điểm khác biệt quan trọng giữa BESS và dự phòng quay truyền thống nằm ở cách hệ thống duy trì trạng thái sẵn sàng. Với các tổ máy nhiệt điện, việc giữ công suất dự phòng đồng nghĩa với việc phải vận hành turbine ở chế độ tải thấp, tiêu tốn nhiên liệu nhưng không tạo ra giá trị sử dụng tương ứng. Điều này không chỉ làm tăng chi phí vận hành mà còn kéo theo phát thải không cần thiết.

Ngược lại, BESS tách biệt hoàn toàn giữa khả năng cung cấp công suất và trạng thái tiêu thụ năng lượng. Hệ thống có thể duy trì trạng thái sẵn sàng mà không cần liên tục tiêu hao năng lượng đầu vào, và chỉ sử dụng năng lượng khi thực sự cần phản ứng. Sự khác biệt này không chỉ mang ý nghĩa về mặt kỹ thuật mà còn thay đổi cấu trúc chi phí của toàn bộ hệ thống điện khi tỷ trọng dịch vụ phụ trợ ngày càng tăng.

Một ví dụ thực tế có thể thấy tại Australia, nơi hệ thống Hornsdale Power Reserve đã chứng minh khả năng thay thế một phần spinning reserve truyền thống. Sau khi đưa vào vận hành, chi phí dịch vụ phụ trợ tại khu vực này đã giảm đáng kể, đồng thời khả năng phản ứng với sự cố cũng nhanh hơn rõ rệt.

Ổn định điện áp thông qua công suất phản kháng (Voltage support)
Bên cạnh tần số, điện áp là một thông số quan trọng cần được kiểm soát trong hệ thống điện. Khác với tần số mang tính toàn hệ thống, điện áp lại mang tính cục bộ và phụ thuộc mạnh vào điều kiện của từng khu vực lưới. Những khu vực có lưới yếu hoặc mật độ nguồn phân tán cao thường dễ xảy ra dao động điện áp.

Công suất phản kháng đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì điện áp, dù không trực tiếp tạo ra công hữu ích. Công suất phản kháng được sử dụng để duy trì các trường điện từ trong hệ thống điện, đặc biệt là từ trường trong máy biến áp, động cơ và chính các đường dây truyền tải. Đây là điều kiện cần để điện năng có thể được truyền đi ổn định trong lưới. Khi mức công suất phản kháng không đủ, các trường điện từ này suy yếu, làm giảm khả năng duy trì điện áp của hệ thống, dẫn đến sụt giảm điện áp. Ngược lại, khi có dư công suất phản kháng, các trường điện từ được duy trì ở mức cao hơn, khiến điện áp tăng lên.

BESS, thông qua inverter, có thể phát hoặc hấp thụ công suất phản kháng một cách linh hoạt và liên tục. BESS không trực tiếp “tạo ra” công suất phản kháng như các máy phát quay, mà thực hiện thông qua inverter bằng cách điều khiển mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp. Khi inverter làm cho dòng điện lệch pha so với điện áp, nó sẽ trao đổi công suất phản kháng với lưới: nếu dòng trễ pha thì phát công suất phản kháng (làm tăng điện áp), còn nếu dòng sớm pha thì hấp thụ công suất phản kháng (làm giảm điện áp). Toàn bộ quá trình này diễn ra bằng điều khiển điện tử, nên có thể thực hiện liên tục và gần như tức thời.

So với các thiết bị truyền thống như tụ bù hay STATCOM (2), điểm khác biệt của BESS nằm ở khả năng cung cấp đồng thời cả công suất tác dụng và công suất phản kháng trong cùng một hệ thống. Điều này cho phép BESS không chỉ tham gia điều chỉnh điện áp mà còn đồng thời xử lý các vấn đề liên quan đến cân bằng công suất và tần số.
(2) Tụ bù (capacitor bank) là thiết bị điện dùng để cung cấp công suất phản kháng cho hệ thống điện, nhằm nâng điện áp và cải thiện hệ số công suất.
STATCOM (Static Synchronous Compensator) là một thiết bị điện tử công suất được sử dụng để điều chỉnh điện áp lưới điện thông qua việc phát hoặc hấp thụ công suất phản kháng.

Trong các hệ thống điện có tỷ trọng năng lượng tái tạo cao, nơi các biến động công suất và điện áp thường xảy ra đồng thời, khả năng tích hợp nhiều chức năng trong một thiết bị giúp giảm nhu cầu đầu tư vào nhiều lớp thiết bị riêng biệt, đồng thời đơn giản hóa chiến lược điều khiển tổng thể của lưới điện.

Tại California, nhiều hệ thống BESS được triển khai gần các nhà máy điện mặt trời quy mô lớn để hỗ trợ ổn định điện áp. Trong các thời điểm công suất mặt trời cao, BESS có thể hấp thụ công suất phản kháng nhằm hạn chế tình trạng điện áp tăng quá mức, từ đó tránh phải đầu tư nâng cấp hạ tầng lưới điện.

Mô phỏng quán tính cho hệ thống không có nguồn quay (Synthetic inertia)
Trong các hệ thống điện truyền thống, quán tính hệ thống đến từ các máy phát quay đồng bộ. Quán tính này đến từ động năng quay của rotor trong các máy phát điện đồng bộ. Khi xảy ra sự mất cân bằng công suất, quán tính này giúp làm chậm tốc độ thay đổi tần số, tạo ra khoảng thời gian để hệ thống điều chỉnh. Tuy nhiên, các nguồn năng lượng tái tạo sử dụng inverter không có quán tính vật lý, khiến hệ thống trở nên nhạy hơn với các biến động.

Hệ quả là tốc độ thay đổi tần số tăng lên đáng kể khi có sự cố, làm giảm khả năng phản ứng của hệ thống bảo vệ. BESS có thể giải quyết vấn đề này thông qua cơ chế synthetic inertia (quán tính tổng hợp). Với cơ chế này, BESS sử dụng thuật toán điều khiển dựa trên tốc độ thay đổi tần số của lưới. Hệ thống liên tục đo tần số và tính toán tốc độ biến thiên của nó. Khi phát hiện tần số đang giảm nhanh, inverter sẽ tăng công suất phát ra lưới; khi tần số tăng nhanh, hệ thống sẽ giảm công suất phát hoặc chuyển sang hấp thụ công suất. Quá trình này diễn ra với độ trễ rất thấp, nhằm giảm tốc độ biến thiên tần số nhằm kéo dài thời gian phản ứng, giúp hệ thống điều khiển và bảo vệ kịp can thiệp trước khi tần số vượt ngưỡng nguy hiểm. 

Tuy nhiên, cần phân biệt rõ giữa quán tính vật lý của các máy phát quay và quán tính tổng hợp do BESS cung cấp. Quán tính vật lý là hệ quả trực tiếp của năng lượng tích trữ trong khối lượng quay và phản ứng một cách thụ động theo các định luật cơ học, trong khi quán tính tổng hợp hoàn toàn phụ thuộc vào thuật toán điều khiển và tín hiệu đo lường của hệ thống.

Điều này đồng nghĩa với việc hiệu quả của synthetic inertia không chỉ phụ thuộc vào phần cứng mà còn phụ thuộc vào cách thiết kế và tinh chỉnh hệ thống điều khiển. Trong một số trường hợp, nếu các hệ thống inverter không được phối hợp đúng cách, các phản ứng điều khiển có thể tương tác với nhau và gây ra dao động không mong muốn. Do đó, việc triển khai synthetic inertia trên quy mô lớn đòi hỏi một cách tiếp cận ở cấp độ hệ thống, thay vì chỉ tối ưu từng thiết bị riêng lẻ.

Một ví dụ tiêu biểu là dự án Dalrymple ESCRI Battery tại Úc, nơi BESS có thể duy trì ổn định điện áp và tần số cho một khu vực ngay cả khi bị tách khỏi lưới điện chính.

Sự khác nhau giữa các ứng dụng
Bốn ứng dụng này đều nhằm giữ ổn định hệ thống điện, nhưng mỗi ứng dụng sẽ can thiệp vào một đại lượng khác nhau, ở những lớp thời gian khác nhau.

Giữ ổn định tần số theo thời gian thực tập trung vào cân bằng công suất tức thời (P) giữa phát và tải, từ đó giữ tần số không lệch khỏi giá trị danh định. Đây là lớp phản ứng nhanh, xử lý trực tiếp sai lệch năng lượng trong hệ thống.

Dự phòng công suất phản ứng tức thời cũng liên quan đến công suất tác dụng, nhưng mục tiêu không phải điều chỉnh liên tục mà là bù đắp khi xảy ra sự cố như mất nguồn hoặc tăng tải đột ngột. Nó đảm bảo hệ thống luôn có nguồn dự phòng để can thiệp khi cần.

Ổn định điện áp thông qua công suất phản kháng tập trung vào một đại lượng khác là điện áp (V), thông qua việc điều chỉnh công suất phản kháng (Q). Đây là bài toán mang tính cục bộ, đảm bảo điện áp tại từng khu vực trong lưới không bị sụt giảm hoặc tăng quá mức.

Mô phỏng quán tính không trực tiếp giữ một giá trị cố định, mà tác động vào tốc độ biến thiên tần số (Rate of change of frequency – RoCoF). Mục tiêu là làm chậm sự thay đổi tần số khi có sự cố, kéo dài thời gian để các cơ chế điều khiển khác kịp phản ứng.

Kết luận
Nhìn tổng thể, vai trò của BESS trong hệ thống điện không thể chỉ được hiểu như một thiết bị lưu trữ năng lượng đơn thuần. Thông qua các nhóm dịch vụ phụ trợ như điều chỉnh tần số, dự phòng công suất, ổn định điện áp và mô phỏng quán tính, BESS đang trực tiếp tham gia vào việc duy trì trạng thái cân bằng động của lưới điện theo thời gian thực.

Trong bối cảnh hệ thống điện ngày càng phụ thuộc vào các nguồn phát dựa trên inverter, nơi quán tính vật lý dần suy giảm, sự ổn định không còn là hệ quả tự nhiên của cấu trúc hệ thống mà trở thành một bài toán điều khiển. BESS, với khả năng phản ứng nhanh và điều chỉnh linh hoạt, đang dần trở thành một lớp điều khiển trung tâm, góp phần định hình cách vận hành của lưới điện hiện đại.

Để xem các tin bài khác về “BESS”, hãy nhấn vào đây.