Vận hành hệ thống điện với độ xâm nhập cao của năng lượng tái tạo

g suất tác dụng của máy được điều khiển 
qua việc điều khiển moment trên trục máy, 
và công suất phản kháng được điều khiển qua 
việc điều khiển dòng kích từ. Nhằm đảm bảo 
độ tin cậy của HTĐ nối kết, tần số và điện 
áp hệ thống được điều chỉnh chặt chẽ thông 
qua kết hợp các bộ điều khiển vòng kín hoạt 
động nhanh tại mỗi máy (bộ điều khiển điều 
tốc- speed governor control- đảm bảo giữ 
tần số trong qui định) và bộ điều khiển máy 
phát (automatic generator control, AGC) tác 
động chậm hơn, điều khiển kiểu tập trung, 
mà nhân viên vận hành hệ thống sử dụng 
để khôi phục tần số hệ thống về giá trị danh 
định. Tần số và điện áp là các thông số chính 
yếu được quy định trong hệ thống và là các 
mục tiêu điều khiển của HTĐ.
Từ quan điểm vật lý, hệ thống tuabin và 
các bộ phận quay bên trong mỗi MPĐB đều 
có quán tính cơ học, và như vậy có khả năng 
tích trữ động năng trong các khối quay. Khi 
xuất hiện sự cố và nhiễu loạn trong HTĐ, các 
khối quay này có thể hoặc hấp thu hoặc cung 
cấp năng lượng, điều này giúp hệ thống nối 
kết có thể vượt qua các dao động khi có khác 
biệt giữa công suất phát và công suất phụ tải. 
Cụ thể, tần số hệ thống sẽ tăng (hay giảm) 
khi công suất phát lớn hơn (hay nhỏ hơn) 
công suất đưa vào (hay lấy ra) từ khối quay; 
điều này cũng có nghĩa mức tăng (giảm) 
của tần số khỏi tần số định mức phản ánh 
mức dư thừa hay thiếu hụt năng lượng trong 
HTĐ. Mặt khác, tổng lượng quán tính trong 
hệ thống (tổng khối lượng của tất cả máy 
quay nối kết) tỷ lệ thuận với khả năng của 
một hệ thống hấp thụ các biến thiên trên các 
tải và của nguồn NLTT, và giá trị của độ lệch 
tần số tỷ lệ nghịch với tổng quán tính trong 
hệ thống. Vì lẽ đó, dễ dàng có nhận xét là một 
hệ thống với tổng lượng quán tính quay thấp 
bản chất sẽ đồng nghĩa với việc dễ dàng bị 
ảnh hưởng nhiều hơn do các nhiễu loạn, và 
khi đó độ lệch tần số sẽ có biên độ lớn hơn.
Một yếu tố quan trọng khác quyết định 
hành vi động học của các HTĐ hiện hữu là 
moment đồng bộ hóa hình thành bởi các 
MPĐB. Moment đồng bộ hóa cùng với quán 
tính quay có vai trò quyết định trong việc xác 
định đáp ứng ban đầu của tốc độ rôto MPĐB, 
ngay sau một sự cố xảy ra trên lưới điện. 
Thông qua thành phần moment đồng bộ hóa 
TSYN (synchronizing torque) (tỉ lệ với góc 
rôto δb của MPĐB) và thành phần moment 
cản dịu TD (damping torque) (tỉ lệ với vận 
tốc góc rôto dδb/dt của MPĐB) của moment 
điện từ TE, công suất tác dụng bơm vào HTĐ 
bởi MPĐB sẽ có tác dụng duy trì tính đồng 
bộ và làm tắt dần các dao dộng cơ học trong 
hệ thống. 
Hình 3 trình bày mô hình đơn giản của 
MPĐB G tại bus điện áp Vs nối kết qua đường 
dây với điện kháng jXe với bus điện áp Vb 
của lưới điện công suất vô cùng lớn. Phương 
trình vi phân mô tả hành vi động học của góc 
rôto δb, trong điều kiện ổn định góc nhỏ cho 
bởi [1] phương trình vi phân như sau:
Hình 3. MPĐB G nối kết qua đường dây với lưới điện vô cùng 
lớn

 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 6 / 20206
Từ quan hệ gia tốc và tổng moment 
(TM+ TE) tác động vào khối quay,
với TE= TSYNC+TD (1)
Trong điều kiện các dao động nhỏ góc 
rôto Δδb quanh điểm cân bằng δbo , phương 
trình trên thành:
 (2)
 (3)
Với toán tử p= d/dt, δb= δbo + Δδb,
TE= TE+ ΔTE, TM= TM+ ΔTM 
M = 2H
ωb = 2πfb
ΔTE = K1Δδb + 
ΔTM = K1Δδb
δb, góc rôto, là góc lệch giữa trục dọc d của 
cực từ rôto và trục dọc d của cực từ trường 
quay của dây quấn stato
fb, tần số lưới điện
t, thời gian
TM, moment cơ học (đơn vị tương đối)
TE, moment điện từ (đơn vị tương đối)
H, quán tính của khối quay, bao gồm 
quán tính quay của rôto MPĐB và của rôto 
động cơ sơ cấp
K1, hệ số moment đồng bộ hóa
D, hệ số moment cản dịu
Hình 4 mô tả quá trình dao động nhỏ của 
góc rôto MPĐB sau tác động của nhiễu loạn 
biên độ nhỏ do sự cố trên lưới điện. Trong 
tình huống hệ thống ổn định, góc rôto quay 
về giá trị góc của rôto trước sự cố, và trong 
tình huống hệ thống mất ổn định góc rôto 
tăng dần.
Hình 5 mô tả tình huống hệ thống không 
ổn định, góc rôto dao động với biên độ tăng 
dần và cuối cùng rôto rơi vào trạng thái mất 
bước (machine looses step), nói cách khác 
MPĐB mất đồng bộ hoàn toàn (pull out of 
synchronism).
Hình 6 cho thấy quá trình dao động của 
góc rôto MPĐB sau tác động nhiễu loạn khi 
có sự cố nghiêm trọng trên lưới điện. Trong 
tình huống hệ thống ổn định Hình 6.(a), góc 
rôto sẽ có giá trị ổn định mới, sau các dao 
động khá lớn với biên độ tắt dần, và trong 
một tình huống tồi tệ khác trên Hình 6.(b) 
góc rôto có dao động biên độ giảm sau vài dao 
động, nhưng rồi lại tăng mạnh sau đó, khiến 
hệ thống rơi vào trạng thái mất ổn định.
d2 δb
dt2
D (d(Δδb))
ωb dt
Hình 4. Dao động nhỏ của góc rôto MPĐB trong điều kiện làm 
việc ổn định và mất ổn định sau nhiễu loạn trên hệ thống 
Hình 5. Hệ thống không ổn định, góc rôto dao động với biên độ 
tăng dần và MPĐB mất đồng bộ 
 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 6 / 2020 7
Có thể nói rằng trong HTĐ hiện hữu, chính 
là nhờ vào quán tính quay lớn, cùng khả năng 
moment đồng bộ hóa cao, cùng các bộ điều 
khiển tác động nhanh đã giúp giảm thiểu các 
tác động tiêu cực bất cứ khi nào trong hệ thống 
xuất hiện sự mất cân bằng về công suất phát và 
công suất phụ tải (công suất tác dụng và phản 
kháng). Rõ ràng, đặc tính quan trọng và là bản 
chất của các HTĐ hiện hữu sẽ bị ảnh hưởng rất 
lớn và thay đổi nghiêm trọng một khi mức xâm 
nhập của NLTT với công nghệ MPBT vào HTĐ 
tăng dần. 
Ngược lại, công nghệ sản xuất điện năng từ 
NLTT về cơ bản sử dụng các công nghệ hoàn 
toàn khác biệt, trong việc biến đổi năng lượng 
và đấu nối với lưới điện. Qua trung gian MPBT 
các nguồn NLTT được đấu nối với vào HTĐ. 
Rất khác với các MPĐB truyền thống, MPBT 
với công nghệ vật liệu bán dẫn, hoàn toàn không 
có các cơ phận quay, biến đổi dòng dc thành ac 
và quản lí dòng công suất qua việc điều khiển 
các khóa đóng cắt bán dẫn theo thời gian. Do 
đó, dễ thấy về bản chất vật lí MPBT hoàn toàn 
khác với các hiện tượng vật lí mô tả ở máy điện 
quay như trên. 
Trong công nghệ MPĐ NLG kiểu nguồn kép 
DFIG (Doubly Fed Induction Generator) loại 
Hình 6. Quá trình dao động của góc rôto MPĐB sau tác động 
nhiễu loạn khi có sự cố nghiêm trọng trên lưới điện.
III, với dây quấn roto nối với lưới qua các vành 
trượt và MPBT. MPĐ NLG kiểu MPĐB (Full-
Size Synchronous Generator) loại IV biến đổi 
toàn bộ công suất phát từ ac thành dc, và sau đó 
từ dc thành ac với điện áp và tần số phù hợp để 
đấu nối với lưới điện. Năng lượng điện dc sản 
xuất từ NMĐ MT thông qua MPBT để chuyển 
đổi dc thành ac với điện áp và tần số phù hợp để 
đấu nối với lưới điện. Trong lưới điện tương lai 
với mức xâm nhập NLTT cao, các nhà máy tích 
trữ năng lượng (với công nghệ acqui, pin nhiên 
liệu), với vai trò cân bằng năng lượng trong 
HTĐ, cũng sử dụng MPBT để đấu nối với lưới 
điện. Vì thế, trong bất cứ hệ thống NMĐ NLTT 
nào có sử dụng MPBT, luôn cần đến bộ điều 
khiển vòng kín để điều chỉnh dòng công suất từ 
nguồn phát dc, thông qua kĩ thuật biến đổi điện 
tử công suất để đấu nối với lưới điện.
Trong các bộ điều khiển số các đo lường 
theo thời gian thực được xử lí và các chương 
trình điều khiển được lập trình và thực thi theo 
yêu cầu của người vận hành. Điều quan trọng 
nhất trong các bộ điều khiển này là đặc tính 
các chiến lược điều khiển, chứ không phải bản 
chất vật lí của MPBT, sẽ quyết định tính chất 
động học của MPBT khi có sự cố và cách thức 
MPBT sẽ đáp ứng với lưới điện ac. Nói một 
cách khác, đáp ứng vật lí của MPBT hoàn toàn 
được quyết định bởi chương trình điều khiển 
được lập trình. Điều này vô cùng khác biệt với 
các MPĐB, trong đó bản chất vật lí của máy, 
như quán tính của các bộ phận quay, các thông 
số điện từ sẽ quyết định các đặc tính quá độ 
của chúng. Để làm rõ sự khác biệt cơ bản giữa 
MPĐB và MPBT, thường dùng thuật ngữ thiết 
bị không quán tính (zero-inertia machine) cho 
MPBT, do đáp ứng của chúng hoàn toàn phụ 
thuộc vào chiến lược của chương trình điều 
khiển và không có bất kì bộ phận quay nào. 
Nhìn chung, phân loại bộ điều khiển 
MPBT theo: bộ điều khiển bám theo lưới (grid 
following inverter controller) hoặc bộ điều 
khiển tạo lưới (grid forming inverter controller). 
Các bộ điều khiển bám theo lưới hiện là loại 
 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 6 / 20208
phổ biến nhất hiện nay, phổ 
biến trong các MPBT quang 
điện và MBT điện gió. Các bộ 
điều khiển chủ yếu dùng mạch 
vòng khóa pha (phase-locked 
loop) để ước lượng góc pha tức 
thời của điện lưới hình sin tại 
điểm đấu nối của MPBT với lưới 
điện. Sau đó, mạch sẽ tạo ra và 
bơm một dòngđược điều khiển 
vào lưới, với tính chất dòng này 
bám theo điện áp lưới. Bản chất 
của MPBT với bộ điều khiển 
bám theo lưới là làm việc như 
một nguồn dòng và “bám theo” 
điện áp tại đểm đấu nối. 
Hạn chế của MPBT với bộ 
điều khiển kiểu này là dựa trên 
giả định điện áp ac tại điểm đấu 
nối có biên độ và tần số không 
đổi (cứng, stiff ac voltage). Trong 
thực tế, điều này cũng có nghĩa 
xem toàn bộ đáp ứng của hệ 
thống, các MPĐB, các bộ điều 
khiển đi kèm, các thiết bị điều 
chỉnh trên lưới làm việc trong 
điều kiện điện áp và tần số 
thương đối ổn định tại bất kí 
điểm nút nào trong lưới. Trên 
Hình 7 có thể thấy giả thiết này 
tương đối hợp lí đến nay, vì thực 
tế các công suất các NMĐ NLTT 
với MPBT theo kiểu điều khiển 
bám theo vẫn còn tương đối nhỏ 
so với công suất của các MPĐB, 
mà hiện nay đang đóng vai trò 
chính trong điều khiển điện áp 
và tần số của HTĐ hiện hữu. 
Tuy nhiên, tình hình sẽ thay 
đổi ra sao khi trong HTĐ mức 
xâm nhập của NMĐ NLTT ngày 
càng cao, với số lượng MPBT 
ngày càng nhiều trong lưới điện 
tương lai?
Khi đó, HTĐ tương lai làm việc chủ yếu với MPBT với 
đặc tính không quán tính và sử dụng bộ điều khiển bám 
theo lưới, và MPBT này làm việc như nguồn dòng và bám 
theo điện áp lưới. Rõ ràng, lưới điện tương lai khó có thể 
làm việc bình thường được trong điều kiện với các MPBT 
kiểu điều khiển bám theo lưới.
Nhằm khắc phục nhược điểm trên, một thế hệ biến tần 
mới loại điều khiển tạo lưới dần được phát triển để thích 
ứng làm việc với hạ tầng điện sử dụng MBT, với khả năng 
điều chỉnh điện áp và tần số qua việc điều khiển phi tập 
trung và tại chỗ (local de-centralized control). Trước khi 
xem xét các đặc tính cần có của thế hệ biến tần mới này, cần 
xem xét các thách thức kĩ thuật phải giải quyết. Đầu tiên 
, MBT thế hệ mới này sẽ dần được đưa vào làm việc trên 
lưới điện, cùng với việc tỉ lệ NLTT xâm nhập ngày càng cao 
vào lưới điện trong nhiều năm, nhiều thập kỉ tới, song song 
với việc thay thế dần các MPĐB. Ngoài ra, do các MPBT 
có phạm vi công suất định mức nhỏ hơn nhiều lần so với 
các MPĐB, điều này có nghĩa phụ tải trong hạ tầng mới 
của lưới điện làm việc với MBT cần làm việc với số lượng 
MPBT rất lớn trong lưới điện. Đối với các lưới điện lớn, 
Hình 7. Tình hình của lưới điện hiện nay (bên trái) chủ yếu làm việc với MPĐB với 
quán tính quay trong hệ thống rất lớn, và lưới điện tương lai (bên phải) khi mức xâm 
nhập của NLTT ngày càng cao, khi đó các MPĐB dần được thay thế và HTĐ sẽ chủ 
yếu làm việc với MPBT. 
 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 6 / 2020 9
điều này cũng có nghĩa số lượng có thể lên 
đến hàng triệu các MPBT sẽ được vận hành 
trong một phạm vi địa lí rộng lớn. 
Xét đến các đặc điểm trên, các bộ điều 
khiển tạo lưới phải có các đặc tính sau:
- Khả năng tương thích với HTĐ hiện 
hữu và liền mạch với HTĐ phát triển dần 
trong tương lai theo Hình 2. 
- Do hệ thống vận hành với tập hợp 
từ rất nhiều MPBT được phân bố phân tán 
trên các địa lí rộng lớn cần sử dụng phương 
án điều khiển phân tán, và việc điều khiển 
nhanh theo thời gian không cần đến kĩ thuật 
truyền thông.
- Khả năng làm việc tin cậy, lâu dài 
trong một tương lai mà MPĐB có thể sẽ 
không còn hiện diện trong HTĐ.
- Khả năng bảo đảm chất lượng điện, 
ngoài việc điều khiển công suất tác dụng và 
phản kháng.
Để thực hiện được các mục tiêu trên 
một phương cách khả thi là điều khiển dộ 
dốc (droop control) tương tự như điều khiển 
MPĐB bằng cách lập trình mối quan hệ tuyến 
tính giữa công suất tác dụng, công suất phản 
kháng theo giá trị tần số và điện áp. Tuy vậy, 
do việc tính toán tương đối chậm các giá trị 
công suất tác dụng, công suất phản kháng, các 
MPBT điều khiển độ dốc (droop-controlled 
inverters) có nhược điểm là đáp ứng chậm 
trong các quá độ. Hiện nay, đang phát triển 
các phương pháp điều khiển với tên gọi máy 
đồng bộ ảo hay máy quán tính ảo (virtual 
synchronous, virtual inertia machines) với 
khả năng mô phỏng các hiện tượng vật lí của 
các MPĐB./ 
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. T.A. Lipo,” Analysis of Synchronous Machines”, CRC Press, Second Edition 2012, ISBN-13: 978-1439880678, 
ISBN-10: 1439880670.
[2]. Benjamin Kroposki, Brian Johnson, Yingchen Zhang, Vahan Gevorgian, Paul Denholm, Bri-Mathias Hodge, 
and Bryan Hannegan, “Achieving A 100% Renewable Grid- Operating Electric
Power Systems with Extremely High Levels of Variable Renewable Energy”, IEEE Power& Energy Magazine, Mar/
Ar 2017, pp. 61- 73.
[3]. Jan von Appen, Martin Braun, Thomas Stetz, Konrad Diwold, and Dominik Geibel, “Time in the Sun The 
Challenge of High PV Penetration in the German Electric Grid”, IEEE Power& Energy Magazine, Mar/Apr 2013, 
pp. 55- 64.
[4]. M. M. Hand, S. Baldwin, E. DeMeo, J. Reilly, T. Mai, D. Arent, G. Porro, M. Meshek, and D. Sandor, “Renewable 
Electricity Futures Study”, NREL, Golden, CO, Tech. Rep., NREL/TP-6A20-52409, June 2012.
[5]. P. Denholm and R. Margolis, “Energy Storage Requirements for Achieving 50% Solar Photovoltaic Energy 
Penetration in California” , NREL, Golden, CO, NREL/TP-6A20-66595, Aug. 2016.
[6]. J. Taylor, S. Dhople, and D. Calloway, “Power Systems without Fuel,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 57, pp. 
1322–1336, May 2016.
[7]. J. O’Sullivan, Y. Coughlan, S. Rourke, and N. Kamaluddin, “Achieving The Highest Levels of Wind Integration: 
A System Operators Perspective”, IEEE Trans. Sustain. Energy, vol. 3, no. 4, pp. 819–825, Oct. 2012.
[8]. V. Gevorgian, Y. Zhang, and E. Ela, “Investigating The Impacts of Wind Generation Participation in 
Interconnection Frequency Response”, IEEE Trans. Sustain. Energy, vol. 6, no. 3, pp. 1004–1012, July 2015.
[9]. D. Ramasubramanian, V. Vittal, and J. Undrill, “Transient Stability Analysis of An All Converter Interfaced 
Generation WECC System” , Proc. Power System Computation Conf., Genoa, Italy, 2016. 
[10]. Nguyễn Hữu Phúc, “Tác Động của Mức Xâm Nhập Cao của các Nhà Máy Điện Mặt Trời Kĩ Thuật Quang Điện 
lên Lưới Điện- Phần 01”, Bản Tin Hội Điện Lực Miền Nam SEEA, Số 26 (10.2019), pp. 01-07.
[11]. Nguyễn Hữu Phúc, “Tác Động của Mức Xâm Nhập Cao của các Nhà Máy Điện Mặt Trời Kĩ Thuật Quang Điện 
lên Lưới Điện- Phần 02”, Bản Tin Hội Điện Lực Miền Nam SEEA, Số 27 (01.2020), pp. 08-15.