Trong những năm gần đây, tỷ trọng của các nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời và điện gió trong hệ thống điện toàn cầu đã tăng trưởng nhanh chóng. Không chỉ góp phần giảm phát thải và thúc đẩy quá trình chuyển dịch năng lượng, các nguồn điện này còn làm thay đổi cách vận hành truyền thống của lưới điện. Tuy nhiên, đi cùng với sự phát triển đó là những thách thức kỹ thuật mới, đặc biệt khi các nguồn điện này không còn hoạt động theo nguyên lý giống như các nhà máy nhiệt điện truyền thống. Điều này dẫn đến những khó khăn và nguyên lý kỹ thuật phức tạp khi kết nối các nguồn năng lượng tái tạo với lưới điện.

Trong bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video của kênh Practical Engineering, nói về cách các nguồn điện dựa trên năng lượng tái tạo tương tác với lưới điện, cũng như những yếu tố cần cân nhắc khi kết nối chúng với nhau.

Sự cố Odessa năm 2022 và tác động bất thường lên lưới điện
Vào năm 2022, thiết bị chống sét (lightning arrestor) tại một nhà máy điện ở Odessa, Texas đã bị hỏng, khiến một phần nhà máy bị ngắt khỏi hệ thống điện. Đây là một dạng sự cố khá điển hình, vốn vẫn xảy ra theo thời gian trên lưới điện. Do hệ thống sản xuất và truyền tải điện trải dài trên khoảng cách lớn với rất nhiều thiết bị tham gia, việc xảy ra hỏng hóc là điều không thể tránh khỏi. Thông thường, các thiết bị đóng cắt sẽ cô lập sự cố và nguồn dự phòng sẽ bù đắp phần thiếu hụt.

Tuy nhiên, sự cố lần này lại khác biệt. Chỉ trong vài giây sau sự cố ngắn mạch tại một nhà máy duy nhất, toàn bộ lưới điện Texas đã bất ngờ mất 2.500 MW công suất phát, tương đương khoảng 5% tổng nhu cầu, chủ yếu đến từ các nhà máy điện mặt trời phân bố trên toàn bang. Một sự cố 300 MW tại một điểm đã lan rộng thành mất mát lên tới 2,5 GW, khiến tần số hệ thống giảm xuống còn 59,7 Hz (so với mức 60 Hz bình thường). Sự kiện này gần chạm ngưỡng Resource Loss Protection Criteria (1) của Texas – mức mất công suất tối thiểu yêu cầu phải có cơ chế dự phòng. Nếu có thêm một sự cố nữa, hệ thống có thể buộc phải cắt giảm phụ tải. Nói cách khác, tình huống này gần như đã trở thành một trạng thái khẩn cấp, dù người dân hầu như không nhận thấy điều bất thường.
(1) Resource Loss Protection Criteria là một tập hợp các tiêu chí bảo vệ trong vận hành lưới điện, được thiết kế để ngăn chặn tình trạng mất thêm nguồn phát điện khi hệ thống đã bị sự cố.

Nguồn điện tái tạo và những phản ứng không lường trước”
Các nhà máy điện mặt trời, hệ thống pin lưu trữ quy mô lớn và tua-bin gió không phát điện theo cách giống các nhà máy nhiệt điện truyền thống, vốn vẫn chiếm tỷ trọng lớn trong hệ thống điện. Kết quả điều tra sự cố Odessa năm 2022 cho thấy nguyên nhân không nằm ở lỗi thiết bị theo nghĩa truyền thống. Thay vào đó, các thuật toán và cấu hình điều khiển trong thiết bị chuyển đổi điện đã phản ứng theo những cách không mong đợi khi phát hiện sự cố ban đầu.

Sự cố xảy ra ngay trước buổi trưa, khi các nhà máy điện mặt trời đang hoạt động ở công suất cao nhất, chiếm khoảng 16% tổng sản lượng điện của hệ thống. Mặc dù con số này có vẻ lớn, nhưng đã có thời điểm điện mặt trời cung cấp hơn một phần ba sản lượng của lưới điện Texas, và tỷ trọng này vẫn đang tiếp tục tăng. Xu hướng này không chỉ diễn ra tại Texas mà còn trên toàn cầu. Do đó, các thách thức kỹ thuật trong việc tích hợp những nguồn điện mới này vào một hệ thống vốn không được thiết kế cho chúng ngày càng trở nên quan trọng.

Nguồn điện dựa trên inverter và sự khác biệt cơ bản
Các tấm pin mặt trời và pin lưu trữ hoạt động trên dòng điện một chiều (DC), với điện áp đầu ra tương đối ổn định. Điều này phần nào cũng đúng với tua-bin gió, dù chúng là các máy quay lớn tương tự máy phát trong nhà máy nhiệt điện. Tuy nhiên, do tốc độ gió biến thiên liên tục, tua-bin thường được vận hành ở tốc độ được điều chỉnh để tối ưu hóa việc thu năng lượng. Kết quả là chúng tạo ra dòng điện xoay chiều có tần số thay đổi, không phù hợp trực tiếp với lưới điện. Vì vậy, dòng điện này thường được chuyển đổi sang DC trước khi đưa vào hệ thống. 

Trong khi đó, hầu hết hạ tầng điện lực hiện nay, bao gồm cả điện sử dụng trong gia đình, đều vận hành trên dòng điện xoay chiều (AC). Một lợi thế quan trọng của lưới điện AC là khả năng sử dụng máy biến áp để thay đổi điện áp một cách đơn giản và hiệu quả, giúp tối ưu truyền tải điện đường dài. Do đó, điện DC từ các nguồn tái tạo phải được chuyển đổi sang AC thông qua thiết bị gọi là bộ nghịch lưu (inverter). Chính vì vậy, các nguồn như pin, điện mặt trời và phần lớn tua-bin gió được gọi chung là nguồn điện qua inverter (inverter-based resources).

Sự phát triển của công nghệ inverter
Các inverter ban đầu là thiết bị cơ khí, bao gồm một động cơ nối với máy phát. Phương pháp này hoạt động nhưng kém hiệu quả do tổn hao năng lượng trong quá trình chuyển đổi hai lần giữa điện và cơ. Ngoài ra, tần số đầu ra phụ thuộc vào tốc độ quay, vốn khó kiểm soát chính xác.

Ngày nay, inverter chủ yếu sử dụng mạch điện tử bán dẫn. Các thiết bị này tạo ra dòng điện xoay chiều bằng cách bật tắt các công tắc điện tử để tạo ra các xung điện. Bằng cách điều chỉnh thời gian các xung, dòng điện đầu ra có thể được điều khiển để xấp xỉ dạng sóng sin. Công nghệ này được gọi là điều chế độ rộng xung (pulse width modulation). Các inverter cao cấp có thể tạo ra dạng sóng gần với sóng sin hơn nhờ tần số chuyển mạch cao và hệ thống lọc bổ sung.

Đồng bộ với lưới điện và giới hạn của inverter
Một inverter nối lưới không chỉ cần tạo ra điện AC mà còn phải đồng bộ chính xác với pha và tần số của lưới. Điều này thường được thực hiện thông qua mạch khóa pha (phase-locked loop), giúp inverter điều chỉnh tín hiệu đầu ra để khớp với lưới. Do đó, các thiết bị này được gọi là inverter bám lưới (grid-following inverters).

Tuy nhiên, đặc điểm này cũng tạo ra một hạn chế lớn: chúng chỉ hoạt động khi lưới điện đã tồn tại. Khi lưới bị mất điện, inverter cũng ngừng hoạt động, ngay cả khi nguồn năng lượng như ánh nắng hoặc gió vẫn còn. Đây là lý do các hệ thống điện mặt trời dân dụng thường không thể cung cấp điện khi mất điện lưới.

Tối ưu công suất với MPPT
Một chức năng quan trọng khác của inverter là tối ưu hóa công suất của tấm pin mặt trời thông qua Bộ theo dõi điểm công suất cực đại (Maximum Power Point Tracker – MPPT). Công suất của tấm pin phụ thuộc vào mối quan hệ phi tuyến giữa điện áp và dòng điện, tạo ra một điểm vận hành tối ưu gọi là maximum power point.

Điểm này thay đổi theo nhiệt độ và cường độ bức xạ mặt trời. MPPT liên tục điều chỉnh điều kiện vận hành để giữ hệ thống tại điểm tối ưu, từ đó khai thác tối đa công suất. Trong nhiều hệ thống, mỗi tấm pin hoặc nhóm nhỏ đều có MPPT riêng để tăng hiệu quả tổng thể.

Tần số lưới điện và vai trò của quán tính
Tần số của lưới điện phản ánh sự cân bằng giữa cung và cầu. Khi nhu cầu vượt quá công suất phát, tần số giảm. Nếu lệch quá mức, thiết bị có thể hoạt động sai, quá nhiệt hoặc mất đồng bộ. Trong trường hợp nghiêm trọng, hệ thống sẽ cắt tải để khôi phục cân bằng.

Các nhà máy nhiệt điện truyền thống đóng vai trò quan trọng nhờ quán tính cơ học từ các rotor quay lớn. Năng lượng động này giúp làm chậm tốc độ suy giảm tần số khi xảy ra sự cố. Ngược lại, inverter không có quán tính vật lý, nên khi tỷ trọng của chúng tăng lên, tần số có thể giảm nhanh hơn, làm giảm thời gian phản ứng của hệ thống.

Phản ứng tần số và vấn đề dự phòng
Các nhà máy năng lượng tái tạo hiện nay được yêu cầu tham gia vào Primary Frequency Response (2), tức là tăng công suất ngay khi tần số giảm. Một số inverter còn có thể tạo ra quán tính nhân tạo để mô phỏng hành vi của máy phát truyền thống.
(2) Primary Frequency Response (PFR) là phản ứng điều tần sơ cấp của hệ thống điện – tức là khả năng của các nguồn phát tự động điều chỉnh công suất ngay lập tức khi tần số lưới bị lệch khỏi giá trị chuẩn (50 Hz hoặc 60 Hz).

Tuy nhiên, để phản ứng với sự kiện giảm tần số, hệ thống cần có công suất dự phòng. Điều này đồng nghĩa với việc vận hành dưới công suất tối đa, gây thiệt hại về kinh tế. Vì vậy, nhiều thị trường điện đã thiết kế cơ chế trả tiền cho công suất dự phòng hoặc tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng.

Xử lý sự cố
Các hệ thống inverter cần có cơ chế bảo vệ để tránh hư hỏng khi xảy ra sự cố. Tuy nhiên, nếu các cơ chế này quá nhạy, chúng có thể ngắt kết nối ngay khi có biến động nhỏ, gây ra hiệu ứng domino trên toàn hệ thống. Khái niệm ride-through (3) đề cập đến khả năng tiếp tục vận hành trong điều kiện bất thường để hỗ trợ ổn định lưới.
(3) Ride-through là khả năng của hệ thống điện mặt trời, đặc biệt là inverter, tiếp tục vận hành và không bị ngắt kết nối khi lưới điện gặp sự cố ngắn hạn (như sụt áp, quá áp hoặc lệch tần số).

Đây là sự cân bằng giữa việc bảo vệ thiết bị và đảm bảo độ ổn định của hệ thống. Khi tỷ trọng nguồn năng lượng từ inverter (inverter-based power) tăng lên, các tiêu chuẩn kỹ thuật và cấu hình điều khiển ngày càng phải được tinh chỉnh chi tiết hơn.

Triển vọng và giai đoạn chuyển đổi của lưới điện
Mặc dù còn nhiều thách thức như thiếu khả năng khởi động đen (black start) (4), quán tính thấp và hành vi phức tạp khi có sự cố, inverter cũng mang lại nhiều cơ hội. Chúng có khả năng phản ứng nhanh, linh hoạt và không bị giới hạn bởi các yếu tố cơ học.
(4) Black start là khả năng của một nhà máy điện hoặc hệ thống phát điện tự khởi động mà không cần nguồn điện từ lưới bên ngoài, thường được sử dụng để khôi phục hệ thống sau khi xảy ra mất điện diện rộng (blackout).

Đặc biệt, các grid-forming inverters (bộ nghịch lưu tạo lưới) có thể tự tạo lưới điện và vận hành độc lập mà không cần hệ thống sẵn có. Ngành điện hiện đang trong giai đoạn hoàn thiện và thích nghi với những công nghệ mới này. Dù còn nhiều vấn đề cần giải quyết, xu hướng chung vẫn là tích cực, hướng tới một hệ thống điện ổn định, bền vững và linh hoạt hơn trong tương lai.

Để xem các tin bài khác về “Điện mặt trời”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Practical Engineering