Công suất biểu kiến (nghĩa là tổng lượng công suất chạy trong lưới điện xoay chiều - AC) bao gồm hai thành phần: công suất tác dụng (P) và công suất phản kháng (Q).

Công suất tác dụng là phần năng lượng hữu ích được cung cấp cho các thiết bị tiêu thụ điện, trong khi công suất phản kháng đóng vai trò thiết yếu để duy trì điện áp thông qua việc duy trì các trường điện từ cần thiết cho quá trình truyền tải năng lượng.

Mức điện áp chủ yếu được chi phối bởi sự cân bằng công suất phản kháng cục bộ. Khi nguồn cung cấp công suất phản kháng đủ, điện áp duy trì ổn định và gần với các giá trị định mức. Tuy nhiên, nếu có sự thiếu hụt (tức là do tải nặng, khoảng cách truyền tải xa hoặc nhu cầu phụ tải có tính thuần cảm), điện áp sẽ sụt giảm. Mặt khác, công suất phản kháng dư thừa có thể dẫn đến tình trạng quá áp. Đặc tính này bắt nguồn từ ảnh hưởng của công suất phản kháng lên sự sụt áp trên trở kháng lưới điện, đặc biệt là cảm kháng trong các hệ thống truyền tải.

Sự liên kết giữa P và Q trở nên rõ rệt hơn dưới các điều kiện hệ thống bị quá tải (stressed). Khi mức độ truyền tải công suất tác dụng tăng lên dọc theo các hành lang truyền tải, tổn thất công suất phản kháng cũng tăng theo, làm tăng yêu cầu hỗ trợ điện áp cục bộ. Nếu không có đủ bù công suất cục bộ, điện áp có thể sụt giảm nhanh chóng dưới các điều kiện truyền tải cao.

Những thách thức này càng được khuếch đại bởi sự thâm nhập ngày càng tăng của năng lượng tái tạo. Các nhà máy điện gió và điện mặt trời PV thường được đặt ở các vùng sâu vùng xa với nhu cầu phụ tải cục bộ hạn chế, đòi hỏi phải truyền tải công suất quy mô lớn đến các trung tâm phụ tải ở xa.

Không giống như các máy phát điện đồng bộ, các nhà máy năng lượng tái tạo kết nối với lưới điện thông qua các bộ biến đổi điện tử công suất (converters), khả năng phát công suất phản kháng của chúng được xác định bởi đường cong đặc tính P–Q và điểm làm việc. Điện mặt trời PV khi phát ở công suất tác dụng định mức thường có rất ít hoặc không còn khả năng hỗ trợ công suất phản kháng. Máy phát điện gió có thể cung cấp công suất phản kháng trong giới hạn của bộ biến đổi của chúng, nhưng thường có không gian dự trữ (headroom) khả dụng rất hạn chế nếu chúng đang vận hành ở mức công suất tối đa.

Tại sao ổn định điện áp lại quan trọng?

Ổn định điện áp đề cập đến khả năng của một hệ thống điện trong việc duy trì các mức điện áp có thể chấp nhận được trong các điều kiện vận hành bình thường và sau khi có sự cố. Nếu điện áp chênh lệch quá xa so với giá trị định mức của nó, các vấn đề sau có thể phát sinh:

• Sự cố xếp chồng, có khả năng dẫn đến mất điện diện rộng.
• Thiết bị hoạt động sai hoặc hư hỏng do kém áp hoặc quá áp.
• Tăng tổn thất và giảm hiệu suất hệ thống.

Trong những trường hợp khắc nghiệt, hỗ trợ công suất phản kháng không đủ có thể dẫn đến sụp đổ điện áp (voltage collapse), khi đó điện áp sụt giảm không thể kiểm soát trên toàn bộ một khu vực. Hiện tượng này từng là nguyên nhân gây ra một số vụ mất điện lớn, bao gồm cả sự cố mất điện nổi tiếng ở vùng Đông Bắc Bắc Mỹ năm 2003, khi việc hỗ trợ công suất phản kháng không đầy đủ và khả năng giám sát hệ thống kém đã dẫn đến tình trạng sự cố xếp chồng ảnh hưởng đến hơn 50 triệu người.

Gần đây hơn, vụ mất điện ở Bán đảo Iberia năm 2025 đã làm nổi bật sự phức tạp ngày càng tăng của việc duy trì ổn định điện áp trong các lưới điện hiện đại có tỷ trọng năng lượng tái tạo cao. Vụ mất điện không phải do một sự cố đơn lẻ gây ra, mà là do sự kết hợp của các yếu tố tương tác với nhau và cuối cùng dẫn đến mất ổn định hệ thống.

Theo báo cáo từ ENTSO-E, sự cố đã bị kích hoạt bởi sự gia tăng điện áp hệ thống nhanh chóng và không thể kiểm soát dưới các điều kiện liên quan đến nhiều áp lực đồng thời. Vấn đề trọng tâm được xác định trong cuộc điều tra là sự hỗ trợ điện áp không đủ và được phối hợp kém trên toàn mạng lưới. Báo cáo nhấn mạnh rằng các cài đặt điều khiển điện áp giữa các máy phát điện cục bộ chưa hoàn toàn phù hợp với các yêu cầu của hệ thống truyền tải, và trong một số trường hợp phải dựa vào sự can thiệp thủ công, làm chậm phản ứng của hệ thống trước các điều kiện thay đổi.

Nghiêm trọng hơn, các nguồn công suất phản kháng khả dụng đã không thể chống lại sự gia tăng điện áp đột ngột, khiến lưới điện dễ bị tổn thương trước các điều kiện quá áp. Việc thiếu sự hỗ trợ điện áp hiệu quả này, kết hợp với biên độ dự trữ vận hành (operating margins) hạn chế trong lưới điện Tây Ban Nha, đã góp phần gây ra các sự cố mất liên kết xếp chồng và cuối cùng là mất điện diện rộng trên toàn Tây Ban Nha và Bồ Đào Nha, ảnh hưởng đến hàng chục triệu người và gây thiệt hại kinh tế hàng tỷ đô la.

Điện áp trong lưới điện được điều chỉnh như thế nào?

Điều chỉnh điện áp trong các hệ thống điện truyền thống luôn dựa vào sự kết hợp giữa các thiết bị cơ điện và thiết bị thụ động có bản chất cung cấp hoặc hấp thụ công suất phản kháng.

Máy phát điện đồng bộ và máy bù đồng bộ chuyên dụng (synchronous condensers) trong lịch sử đã đóng vai trò trung tâm, vì chúng có thể tự nhiên cung cấp hoặc hấp thụ công suất phản kháng thông qua hệ thống kích từ (excitation systems) của chúng, cung cấp khả năng điều khiển điện áp liên tục và linh hoạt. Ngoài ra, các đơn vị điện lực đã triển khai các giàn tụ bù (capacitor banks) và cuộn kháng (reactors) để quản lý các mức điện áp cục bộ – với các tụ bù bơm công suất phản kháng để nâng điện áp, và cuộn kháng hấp thụ nó để ngăn ngừa các tình trạng quá áp.

Các giải pháp dựa trên máy biến áp cũng rất cần thiết. Máy biến áp có bộ điều áp dưới tải (on-load tap-changing transformers) cho phép các nhà điều hành điều chỉnh mức điện áp trên các phần khác nhau của mạng lưới mà không làm gián đoạn dịch vụ, giúp duy trì các biểu đồ điện áp (voltage profiles) ở mức có thể chấp nhận được dưới các điều kiện phụ tải khác nhau. Đối với các nhu cầu có tính động (dynamic) hơn, các thiết bị Bù công suất phản kháng tĩnh (Static Var Compensators - SVC) đã được sử dụng rộng rãi để cung cấp sự hỗ trợ công suất phản kháng có khả năng tác động nhanh, phản ứng với các dao động điện áp trong thời gian gần như thời gian thực.

Tuy nhiên, khi các hệ thống điện tích hợp tỷ trọng các nguồn năng lượng tái tạo ngày càng tăng, nguồn phát điện đồng bộ truyền thống đang dần bị thay thế, làm giảm sự sẵn có của công suất phản kháng tự nhiên cũng như làm suy giảm sự hỗ trợ điện áp và quán tính (inertia) mà các máy điện đồng bộ cung cấp. Kết quả là, việc duy trì mức điện áp ổn định ngày càng trở nên thách thức, thúc đẩy nhu cầu về các giải pháp tiên tiến hơn dựa trên điện tử công suất để chủ động quản lý công suất phản kháng và đảm bảo ổn định lưới điện.

Những lợi thế của thiết bị điện tử công suất hiện đại trong việc hỗ trợ điện áp

Điện tử công suất hiện đại đã trở thành nền tảng để duy trì độ ổn định điện áp trong các lưới điện đang phát triển ngày nay. Vai trò của chúng thậm chí còn trở nên quan trọng hơn khi nguồn phát năng lượng tái tạo đang ngày càng được phát triển ở các vùng địa lý xa xôi, cách xa các trung tâm phụ tải lớn và ở những khu vực có nhu cầu cục bộ tương đối thấp. Như đã thảo luận trước đó, điều này tạo ra nhu cầu ngày càng tăng về việc truyền tải khối lượng công suất lớn trên các khoảng cách xa đến các trung tâm phụ tải, nơi việc duy trì sự ổn định điện áp trở nên thách thức hơn.

Điện tử công suất đặc biệt quan trọng trong các lưới điện yếu hoặc xa xôi, nơi system strength thấp khiến biên độ điện áp rất nhạy cảm với các nhiễu loạn. Ở những khu vực có tỷ trọng năng lượng tái tạo cao, chúng cung cấp khả năng điều khiển điện áp và công suất phản kháng thiết yếu để hỗ trợ quá trình vận hành ổn định.

Chúng cũng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp, nơi có các phụ tải lớn và thường xuyên biến đổi mạnh – chẳng hạn như lò hồ quang điện trong các nhà máy thép, các hoạt động khai thác mỏ, hoặc các cơ sở LNG sử dụng truyền động điện – có thể tạo ra những thách thức bổ sung đối với việc tuân thủ quy định lưới điện (grid code) và quản lý điện áp.

Các bộ biến đổi điện tử công suất cho phép đơn vị vận hành lưới điện:

• Bơm hoặc hấp thụ công suất phản kháng một cách linh hoạt, đáp ứng gần như ngay lập tức các nhu cầu của hệ thống.
• Điều chỉnh điện áp đầu cực thông qua các vòng lặp điều khiển tốc độ cao.
• Duy trì sự ổn định điện áp trong các sự cố.

Tất cả các giải pháp dựa trên điện tử công suất trong danh mục Grid-enSure® của Hitachi Energy đều có thể cung cấp kiểu hỗ trợ phản kháng và có thể dự báo được như yêu cầu của các lưới điện hiện nay. Các công nghệ này bao gồm:

• Bộ biến đổi nguồn áp của hệ thống truyền tải HVDC (HVDC-VSC) như HVDC Light® điều chỉnh điện áp bằng cách chủ động điều khiển công suất phản kháng tại điểm đấu nối với lưới AC. Không giống như các hệ thống HVDC thông thường dựa trên các bộ biến đổi chuyển mạch lưới (line-commutated converters), VSC sử dụng các thiết bị bán dẫn có thể điều khiển toàn phần để tổng hợp các điện áp AC với biên độ và góc pha có thể điều chỉnh. Bằng cách điều khiển góc pha giữa điện áp của bộ biến đổi và điện áp lưới, VSC có thể bơm hoặc hấp thụ công suất tác dụng (chủ yếu ảnh hưởng đến tần số hệ thống và trào lưu công suất), trong khi việc điều khiển biên độ điện áp AC của bộ biến đổi trực tiếp điều khiển công suất phản kháng, qua đó hỗ trợ các mức điện áp cục bộ. Tính năng điều khiển P-Q độc lập này cho phép HVDC-VSC cung cấp hỗ trợ điện áp nhanh và chính xác ngay cả trong các lưới điện yếu hoặc có quán tính thấp.

• Hệ thống SVC Light® STATCOM dựa trên cùng công nghệ VSC như HVDC Light® và được kết nối với lưới điện qua một máy biến áp bổ trợ, cho phép điều khiển nhanh biên độ điện áp AC tương đối so với điện áp lưới. Bằng cách điều khiển điện áp đầu ra của STATCOM, hệ thống có thể cung cấp dòng điện phản kháng khi điện áp lưới thấp (để nâng điện áp) hoặc hấp thụ dòng điện phản kháng khi điện áp cao (để hạ điện áp). Thời gian đáp ứng nhanh (tính bằng mili-giây) cho phép nó ổn định các dao động điện áp do thay đổi phụ tải, ngắn mạch, hoặc đặc tính gián đoạn của nguồn phát năng lượng tái tạo, làm cho nó đặc biệt hiệu quả trong các mạng lưới yếu hoặc có quán tính thấp. Amprion, một trong bốn TSO của Đức, đã ký hợp đồng với Hitachi Energy để xây dựng một loạt các hệ thống SVC Light® STATCOM. Trạm đầu tiên đã được đưa vào vận hành năm 2023 tại trạm biến áp Opladen, phía bắc Cologne. Trạm này bao gồm một nhánh VSC với định mức ±300 Mvar, mục tiêu chính là cung cấp công suất phản kháng động độc lập với mức dòng ngắn mạch cục bộ vốn có thể trở nên cực kỳ thấp trong một số kịch bản vận hành.

• Các bộ STATCOM tăng cường (Enhanced STATCOM) như SVC Light® Enhanced kết hợp một STATCOM truyền thống với việc đóng góp công suất tác dụng dưới dạng các siêu tụ điện (supercapacitors), mang lại cho nó cả khả năng hỗ trợ công suất tác dụng và phản kháng. Khả năng kép này tăng cường sự ổn định lưới điện bằng cách cho phép thực hiện các dịch vụ phụ trợ (ancillary services) bổ sung, chẳng hạn như hỗ trợ quán tính và đáp ứng tần số nhanh (FFR), nếu có yêu cầu.

• Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (BESS), tương tự như HVDC-VSC và STATCOM Tăng cường, cung cấp khả năng bơm và hấp thụ cả công suất tác dụng lẫn phản kháng, cho phép điều chỉnh điện áp đồng thời cung cấp hỗ trợ quán tính và tần số. Bằng cách cung cấp công suất tác dụng một cách linh hoạt, BESS có thể giúp ổn định các sai lệch tần số và mô phỏng quán tính thông qua điều khiển máy điện đồng bộ ảo (virtual synchronous machine - VSM), khiến chúng ngày càng phổ biến trong các lưới điện có độ thâm nhập năng lượng tái tạo cao.

• Bộ biến tần tĩnh (Static Frequency Converters - SFC) là các thiết bị điện tử bán dẫn dùng để chuyển đổi nguồn điện AC từ một tần số và điện áp này sang một tần số và điện áp khác. Chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm mạng lưới tàu điện và các liên kết lưới điện. Trong hệ thống tàu điện, các phụ tải kéo (traction loads) vốn có tính biến đổi mạnh, có thể làm suy giảm chất lượng điện năng và gây ra tổn thất năng lượng nếu không được quản lý đúng cách. Các hệ thống PCS6000 và SFC Light của Hitachi Energy đã chứng minh được hiệu quả trong việc giảm thiểu những vấn đề này thông qua việc cung cấp công suất phản kháng được điều khiển chính xác, cân bằng phụ tải và duy trì ổn định điện áp. Khả năng đáp ứng nhanh chóng với các phụ tải tàu hỏa dao động giúp đảm bảo vận hành đáng tin cậy và giảm thiểu nhiễu loạn đối với lưới điện chung.

Điều khiển Grid-following và Grid-forming

Về cơ bản, sự đóng góp của một bộ biến đổi vào ổn định điện áp trong lưới điện được quyết định bởi việc nó vận hành ở chế độ điều khiển grid-following hay grid-forming.

Các bộ biến đổi bám lưới vận hành bằng cách đồng bộ hóa với dạng sóng điện áp AC hiện có của lưới điện. Chúng đo lường điện áp và tần số tại điểm đấu nối, sau đó bơm công suất tác dụng và phản kháng dựa trên các phép đo này.

Để điều chỉnh điện áp, các bộ biến đổi bám lưới phụ thuộc rất nhiều vào các nguồn điện áp bên ngoài. Đầu ra công suất phản kháng của chúng có thể được điều chỉnh nhanh chóng thông qua các thuật toán điều khiển, cho phép hỗ trợ điện áp động trong suốt các sự cố, nhưng chúng không thể thiết lập hoặc duy trì điện áp lưới một cách độc lập nếu hệ thống yếu hoặc đang ở chế độ vận hành độc lập (islanded). Do đó, các bộ biến đổi này hoạt động cực kỳ hiệu quả trong các môi trường lưới điện mạnh và ổn định, nơi các tín hiệu tham chiếu về điện áp và tần số luôn sẵn sàng và đáng tin cậy.

Ngược lại, các bộ biến đổi grid-forming có thể chủ động thiết lập dạng sóng điện áp tại các đầu cực của chúng, hành xử một cách hiệu quả như một máy phát điện đồng bộ ảo. Các bộ biến đổi GFM tạo ra cả biên độ và góc pha của điện áp, cho phép chúng mang lại voltage stiffness và ổn định lưới điện ngay cả trong các mạng lưới yếu hoặc bị cô lập. Chúng có thể phản ứng với các điểm mất cân bằng công suất phản kháng một cách tự chủ, điều chỉnh điện áp tại nhiều điểm đấu nối, và hỗ trợ phục hồi hệ thống khi có sự cố.

Kết luận

Khi các hệ thống điện tiếp tục phát triển theo hướng có tỷ trọng cao hơn các nguồn phát năng lượng tái tạo và nguồn phát dựa trên bộ biến tần, thách thức trong việc duy trì ổn định điện áp ngày càng trở nên phức tạp và mang tính quyết định hơn. Sự phụ thuộc truyền thống vào các máy phát đồng bộ cho mục đích cung cấp công suất phản kháng và điều khiển điện áp đang nhường chỗ cho một mô hình mới lấy điện tử công suất và các chiến lược điều khiển tiên tiến làm trung tâm.

Để đảm bảo vận hành đáng tin cậy, các lưới điện trong tương lai sẽ yêu cầu:

• Triển khai nhiều hơn các thiết bị bù công suất phản kháng linh hoạt.
• Áp dụng rộng rãi các công nghệ grid-forming converter.
• Tăng cường công tác quy hoạch và phối hợp hệ thống nhằm quản lý ổn định điện áp trong các môi trường có quán tính thấp.

Grid-enSure® đại diện cho câu trả lời của Hitachi Energy trước thách thức này. Danh mục sản phẩm bao gồm toàn bộ các công nghệ điện tử công suất thiết yếu để hỗ trợ các hệ thống điện năng động hiện nay. Khi cần thiết, các hệ thống này có thể tích hợp các khả năng grid-forming, mang lại sự hỗ trợ nâng cao trong các mạng lưới yếu hoặc có quán tính thấp.

Bằng cách tận dụng toàn bộ phạm vi của Grid-enSure®, Hitachi Energy áp dụng một cách tiếp cận trung lập về công nghệ đối với việc ổn định lưới điện. Thay vì mặc định cho một giải pháp duy nhất, công ty sẽ đánh giá các đặc điểm riêng biệt của từng mạng lưới (ví dụ: cơ cấu nguồn phát, các hạn chế vận hành và mức tăng trưởng dự kiến) để xác định sự kết hợp hiệu quả nhất giữa các công nghệ.

Điều này đảm bảo rằng các nhà vận hành lưới điện nhận được các chiến lược ổn định được thiết kế riêng, tối ưu hóa cho các nhu cầu kỹ thuật và vận hành cụ thể của hệ thống, mang lại cả khả năng phục hồi (resilience) lẫn tính linh hoạt trong một bối cảnh năng lượng không ngừng phát triển.

Nguồn: Hitachi Energy