Với sự mở rộng liên tục của các công trình năng lượng tái tạo và quá trình chuyển đổi số ngày càng sâu rộng của hệ thống điện, các phương pháp vận hành lưới điện truyền thống đang trải qua những thay đổi sâu sắc. Để giải quyết vấn đề suy giảm khả năng ổn định và điều tiết của lưới điện, một công nghệ điều khiển tiên tiến được gọi là Máy phát đồng bộ ảo (VSG) đã ra đời. Bài báo này sẽ nghiên cứu các khái niệm, nguyên lý kỹ thuật của VSG và sự tích hợp của chúng với các hệ thống lưu trữ năng lượng.

I. Giới thiệu về công nghệ VSG  

Trong các hệ thống điện tập trung truyền thống, máy phát điện đồng bộ đóng vai trò như "hệ thần kinh trung ương", duy trì sự ổn định tần số và điện áp của lưới điện. Bộ điều tốc kiểm soát sự quay cơ học để ổn định tần số, trong khi hệ thống kích thích điều chỉnh dòng điện để duy trì điện áp, đảm bảo hoạt động trơn tru của lưới điện.

Tuy nhiên, việc tích hợp quy mô lớn các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió và năng lượng mặt trời đã làm thay đổi mô hình này. Các phương pháp phát điện tái tạo này chủ yếu sử dụng giao diện điện tử công suất, thiếu quán tính và khả năng điều chỉnh của các máy phát điện đồng bộ truyền thống. Do đó, lưới điện trở nên dễ bị ảnh hưởng hơn bởi sự dao động tần số và điện áp khi chịu tác động của các nhiễu loạn.

Việc đơn thuần tăng công suất lắp đặt của năng lượng tái tạo và hệ thống lưu trữ năng lượng không thể giải quyết triệt để vấn đề này. Để hệ thống lưu trữ năng lượng thực sự đóng vai trò là "máy phát điện", nó phải có khả năng điều chỉnh tần số và điện áp—chính xác là nơi công nghệ VSG phát huy tác dụng.

II. Nguyên lý hoạt động của VSG

Khái niệm cốt lõi của công nghệ VSG là sử dụng các thiết bị điện tử công suất và thuật toán điều khiển tiên tiến để cho phép bộ biến tần "mô phỏng" các đặc tính động lực học cơ học và điện từ của máy phát điện đồng bộ. Thông qua phương pháp này, thiết bị điện tử công suất có thể cung cấp khả năng hỗ trợ quán tính và điều chỉnh cho lưới điện, tương tự như các máy phát điện thông thường.

Các chức năng chính bao gồm:

1.  Phản ứng quán tính mô phỏng: Trong quá trình biến động tần số lưới điện nhanh, VSG sử dụng các chiến lược điều khiển để tạo ra quán tính ảo, giảm thiểu sự sai lệch tần số.
2.  Điều chỉnh tần số: VSG tự động điều chỉnh công suất đầu ra hoạt động để đáp ứng với sự thay đổi tần số, thực hiện chức năng điều chỉnh tần số tương tự như máy phát điện.
3. Điều chỉnh điện áp: Bằng cách điều khiển biên độ điện áp đầu ra và góc pha, VSG duy trì sự ổn định điện áp trong các phân đoạn lưới điện cục bộ.
4. Điều chỉnh công suất: VSG phân bổ công suất tác dụng và phản kháng một cách linh hoạt, đáp ứng động thái thay đổi của hệ thống.

Dựa trên kiến ​​trúc điều khiển, VSG được phân loại thành cấu hình điều khiển điện áp và điều khiển dòng điện để phù hợp với các kịch bản ứng dụng khác nhau.

III. Tích hợp VSG với hệ thống lưu trữ năng lượng điện hóa  

Các hệ thống lưu trữ năng lượng, đặc biệt là hệ thống pin lithium-ion, cung cấp thời gian phản hồi nhanh và độ chính xác điều khiển cao, khiến chúng trở thành nền tảng lý tưởng cho chức năng VSG. Công nghệ VSG trang bị cho các hệ thống lưu trữ "các thuộc tính của máy phát điện", cho phép phát điện đồng bộ trong lưới điện.

Trong các lưới điện siêu nhỏ, mỗi hệ thống chuyển đổi năng lượng (PCS) có thể mô phỏng hoạt động của máy phát điện đồng bộ thông qua các thuật toán VSG:

Một "bộ điều chỉnh ảo" quản lý việc điều khiển tần số;

Bộ kích thích ảo giúp duy trì sự ổn định điện áp.

Khi nhiều hệ thống lưu trữ năng lượng VSG hoạt động song song, chúng hoạt động tương tự như các máy phát điện đồng bộ quay đồng bộ, tạo thành một mạng lưới đồng bộ ảo ổn định, cung cấp nguồn điện đáng tin cậy cho các lưới điện khu vực hoặc vùng hẻo lánh.

IV. Ưu điểm và triển vọng ứng dụng của hệ thống lưu trữ năng lượng VSG  

Việc tích hợp sâu VSG với hệ thống lưu trữ năng lượng điện hóa không chỉ nâng cao giá trị của hệ thống lưu trữ năng lượng mà còn mang đến những phương pháp tiếp cận mới cho sự ổn định lưới điện và tích hợp năng lượng tái tạo. Những ưu điểm chính bao gồm:

1. Phản hồi cực nhanh: Hệ thống lưu trữ pin có thể phản hồi các lệnh VSG trong vòng mili giây, cung cấp hỗ trợ điện tức thời cho lưới điện.
2. Quản lý năng lượng thông minh: Các chiến lược điều khiển VSG tối ưu hóa chu trình sạc/xả pin, kéo dài tuổi thọ hệ thống và nâng cao hiệu quả.
3. Tăng cường tích hợp năng lượng tái tạo: Hỗ trợ điện áp và tần số động giúp việc tích hợp các nguồn năng lượng không ổn định như năng lượng gió và năng lượng mặt trời vào lưới điện diễn ra suôn sẻ hơn.
4. Tiềm năng tham gia thị trường: Các hệ thống lưu trữ hỗ trợ VSG có thể tham gia vào thị trường dịch vụ phụ trợ (điều chỉnh tần số, giảm tải đỉnh) để tạo ra lợi nhuận kinh tế bổ sung.

Sự ra đời của công nghệ Máy phát điện đồng bộ ảo (VSG) đã biến các hệ thống lưu trữ năng lượng từ những "kho chứa năng lượng" đơn thuần thành những "máy phát điện ảo" quan trọng, duy trì sự ổn định của lưới điện. Khi tỷ lệ năng lượng tái tạo tiếp tục tăng, việc tích hợp VSG với hệ thống lưu trữ năng lượng sẽ trở thành công nghệ cốt lõi trong các lưới điện thông minh và hệ thống lưới điện siêu nhỏ trong tương lai, mang lại sự đảm bảo quan trọng để đạt được tỷ lệ tích hợp năng lượng sạch cao.