Microgrid là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về Microgrid

Microgrid (lưới điện vi mô) là một hệ thống năng lượng quy mô nhỏ, hoạt động khép kín trong một khu vực địa lý cụ thể. Hệ thống này bao gồm các nguồn năng lượng phân tán, bộ lưu trữ năng lượng, thiết bị điều khiển và hệ thống tiêu thụ. Microgrid có khả năng hoạt động độc lập với lưới điện quốc gia (chế độ “islanded”) hoặc hoạt động đồng bộ cùng với lưới chính (chế độ “grid-connected”).

Sự phát triển của Microgrid được thúc đẩy bởi nhu cầu nâng cao độ tin cậy, tăng khả năng tích hợp năng lượng tái tạo và giảm thiểu tổn thất trong quá trình truyền tải điện năng. Khả năng hoạt động độc lập giúp microgrid cung cấp điện liên tục trong các tình huống sự cố lưới lớn, chẳng hạn như thiên tai, mất điện trên diện rộng, hoặc tấn công mạng.

Microgrid không chỉ giới hạn ở phạm vi dân cư mà còn được ứng dụng tại các cơ sở quân sự, trung tâm dữ liệu, bệnh viện, nhà máy công nghiệp và khu đô thị thông minh. Đặc biệt, các khu vực vùng sâu vùng xa – nơi lưới điện quốc gia không thể tiếp cận – có thể xây dựng microgrid độc lập để đảm bảo quyền tiếp cận điện năng.

Thành phần chính của một Microgrid

Một Microgrid cơ bản thường bao gồm bốn nhóm thành phần chính, tương tác và vận hành theo kiến trúc đồng bộ. Các thành phần này được tổ chức nhằm đảm bảo tối ưu hóa hiệu suất, độ linh hoạt và khả năng điều phối năng lượng theo thời gian thực.

• Nguồn phát phân tán (DERs): Gồm năng lượng mặt trời (PV), tua-bin gió, động cơ đốt trong, máy phát khí sinh học hoặc pin nhiên liệu. Các nguồn này có thể hoạt động độc lập hoặc kết hợp, tùy theo đặc điểm tải và môi trường địa phương.
• Hệ thống lưu trữ năng lượng: Chủ yếu sử dụng pin lithium-ion, nhưng cũng có thể bao gồm các công nghệ như acquy chì-axit, lưu trữ năng lượng nhiệt hoặc bánh đà cơ học (flywheel). Vai trò chính là điều hòa năng lượng và bù đắp dao động nguồn tái tạo.
• Thiết bị điều khiển & giám sát: Bao gồm hệ thống quản lý năng lượng (EMS), thiết bị điện tử công suất và phần mềm giám sát giúp duy trì ổn định điện áp, tần số và điều phối các nguồn/tải.
• Tải tiêu thụ: Có thể là phụ tải cư dân, công nghiệp, hoặc hạ tầng đô thị như chiếu sáng công cộng, trạm sạc xe điện, v.v.

Bảng dưới đây minh họa mối liên hệ giữa các thành phần chính:

Thành phần	Chức năng chính	Ví dụ cụ thể
Nguồn phát phân tán	Tạo điện năng	Pin mặt trời, turbine gió
Lưu trữ năng lượng	Dự trữ và cân bằng công suất	Pin lithium-ion, acquy
Hệ thống điều khiển	Điều phối và bảo vệ	EMS, inverter thông minh
Tải tiêu thụ	Tiêu thụ điện	Thiết bị gia dụng, nhà máy

Chế độ hoạt động của Microgrid

Microgrid có khả năng linh hoạt cao nhờ hai chế độ vận hành chính: nối lưới và tách lưới. Khi hoạt động nối lưới, microgrid đồng bộ với lưới điện quốc gia, có thể bán điện dư thừa hoặc nhận thêm điện khi cần. Trong chế độ tách lưới, microgrid hoạt động hoàn toàn tự chủ, đặc biệt hữu ích khi lưới chính gặp sự cố hoặc cần bảo trì.

Chuyển đổi giữa hai chế độ này thường được thực hiện tự động thông qua hệ thống điều khiển trung tâm. Microgrid sử dụng bộ chuyển mạch nhanh (fast transfer switch) và đồng bộ hóa pha để đảm bảo việc ngắt/kết nối không gây sụt áp hoặc gián đoạn nguồn cung.

So sánh hai chế độ hoạt động:

Đặc điểm	Nối lưới	Tách lưới
Khả năng tương tác với lưới chính	Có	Không
Tính tự chủ	Thấp hơn	Cao
Phù hợp với	Khu dân cư đô thị	Đảo, vùng sâu vùng xa
Yêu cầu đồng bộ hóa	Rất cao	Thấp hơn

Ưu điểm và ứng dụng thực tiễn

Microgrid mang lại một loạt lợi ích về mặt kỹ thuật, kinh tế và môi trường. Đầu tiên, nó giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào lưới điện trung tâm – vốn dễ bị tổn thương bởi các sự cố hoặc tấn công mạng. Khả năng hoạt động độc lập tạo nên lớp bảo vệ bổ sung cho các cơ sở trọng yếu như bệnh viện, căn cứ quân sự hay trung tâm dữ liệu.

Về kinh tế, microgrid cho phép tối ưu hóa chi phí vận hành thông qua quản lý tải thông minh, sử dụng năng lượng rẻ nhất tại thời điểm thích hợp. Ngoài ra, việc tích hợp năng lượng tái tạo như mặt trời và gió cũng giúp giảm chi phí nhiên liệu và phát thải CO₂.

• Tối ưu hóa chi phí vận hành nhờ điều phối thông minh
• Tăng cường độ bền vững môi trường nhờ sử dụng năng lượng sạch
• Giảm tải cho lưới điện quốc gia trong giờ cao điểm
• Khả năng cung cấp điện liên tục cho các khu vực trọng điểm

Một số ứng dụng điển hình của microgrid:

• Cơ sở quân sự: Căn cứ Fort Hunter Liggett (Mỹ) sử dụng microgrid 100% năng lượng tái tạo
• Đảo biệt lập: Dự án Hawaii microgrids giúp đảm bảo an ninh năng lượng trên các đảo nhỏ
• Khu dân cư thông minh: Các dự án tại California hoặc Nhật Bản triển khai microgrid cấp cộng đồng để cung cấp điện bền vững

Microgrid hiện diện ngày càng nhiều tại các khu đô thị phát triển nhằm tích hợp hiệu quả năng lượng tái tạo, đồng thời cung cấp giải pháp thích nghi với biến đổi khí hậu và rủi ro thiên tai.

Vai trò trong chuyển dịch năng lượng

Microgrid là một công cụ chiến lược trong tiến trình chuyển dịch năng lượng toàn cầu – từ hệ thống phụ thuộc nhiên liệu hóa thạch sang mô hình phi tập trung, dựa vào các nguồn tái tạo như mặt trời, gió, sinh khối. Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và áp lực giảm phát thải khí nhà kính ngày càng tăng, microgrid giúp các cộng đồng, doanh nghiệp và chính phủ chủ động kiểm soát lượng khí thải và tăng mức độ độc lập năng lượng.

Khả năng tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo phân tán vào hệ thống điện địa phương là điểm mạnh nổi bật của microgrid. Việc giảm nhu cầu truyền tải điện năng qua khoảng cách xa giúp giảm tổn thất và nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên. Đặc biệt, các microgrid cho phép kết hợp linh hoạt giữa các nguồn tái tạo và lưu trữ năng lượng, từ đó tạo ra một hệ sinh thái năng lượng “xanh” và linh hoạt.

Vai trò của microgrid trong chuyển đổi năng lượng còn thể hiện qua khả năng hỗ trợ các mô hình:

• Thành phố thông minh (Smart Cities)
• Người tiêu dùng thành người sản xuất điện (Prosumers)
• Hệ thống điện hai chiều – nơi tiêu thụ và sản xuất đồng thời

Thách thức kỹ thuật và quản lý

Dù mang lại nhiều lợi ích, việc triển khai microgrid vẫn đối mặt với không ít thách thức về kỹ thuật và chính sách. Một trong những khó khăn nổi bật là khả năng điều khiển chính xác khi microgrid chuyển đổi giữa các chế độ vận hành. Điều này đòi hỏi hệ thống điều khiển phải có độ nhạy cao và có khả năng xử lý sự kiện tức thời như sụt áp, dao động tần số hoặc chênh lệch công suất.

Ngoài ra, thiết kế bảo vệ trong chế độ tách lưới phức tạp hơn do microgrid không còn nhận tín hiệu điều độ hoặc bảo vệ từ lưới chính. Các kỹ sư phải xây dựng logic bảo vệ nội bộ, bao gồm:

• Rơ-le bảo vệ quá dòng, quá áp, thấp tần
• Cơ chế cô lập sự cố nhanh (fault isolation)
• Đồng bộ hóa khi tái kết nối lưới (re-synchronization)

Từ góc độ quản lý, microgrid vẫn đang thiếu các khung pháp lý rõ ràng tại nhiều quốc gia. Việc xác định quyền sở hữu, cơ chế bán điện, đấu nối lưới và giá mua điện từ microgrid cần có hướng dẫn cụ thể để thu hút đầu tư. Bên cạnh đó, chi phí đầu tư ban đầu vẫn là rào cản lớn, đặc biệt ở các khu vực thu nhập thấp hoặc vùng sâu vùng xa.

Khả năng điều phối năng lượng và tối ưu hóa

Một microgrid hiện đại không thể thiếu hệ thống quản lý năng lượng (EMS), nơi xử lý dữ liệu thời gian thực để điều phối hoạt động của toàn bộ hệ thống. EMS sử dụng các thuật toán tối ưu để đảm bảo phân phối điện hợp lý giữa các nguồn phát, lưu trữ và phụ tải – đồng thời giảm chi phí và nâng cao độ tin cậy.

Các mô hình toán học thường áp dụng trong EMS bao gồm:

• Linear Programming (LP) – tối ưu hóa tuyến tính
• Mixed Integer Linear Programming (MILP) – tối ưu có ràng buộc rời rạc
• Stochastic Optimization – xử lý bất định do năng lượng tái tạo

Một bài toán tối ưu hóa phổ biến là giảm chi phí vận hành trong ngày, với ràng buộc công suất, lưu trữ và nhu cầu tải:

$\min \sum_{t=1}^{T} \left( C_{g}(t) \cdot P_{g}(t) + C_{s}(t) \cdot P_{s}(t) + C_{r}(t) \cdot R(t) \right)$

Trong đó:

• $P_g(t)$: Công suất lấy từ lưới
• $P_s(t)$: Công suất sử dụng từ hệ thống lưu trữ
• $R(t)$: Lượng điện tái tạo được khai thác
• $C_g, C_s, C_r$: Chi phí tương ứng cho từng nguồn tại thời điểm $t$

Ngoài ra, EMS còn giúp thực hiện các chức năng như: cân bằng phụ tải theo thời gian thực, dự báo công suất từ năng lượng tái tạo, sạc/xả pin tự động và điều chỉnh tần số nội bộ.

Tương lai và xu hướng phát triển

Microgrid sẽ tiếp tục đóng vai trò cốt lõi trong lưới điện tương lai, nhờ sự hội tụ giữa năng lượng tái tạo, số hóa và AI. Các hệ thống microgrid thế hệ mới không chỉ tự vận hành mà còn có thể học và thích nghi với hành vi phụ tải và điều kiện môi trường.

Một số xu hướng đáng chú ý:

• Trí tuệ nhân tạo (AI): Dự báo phụ tải, thời tiết và tự tối ưu hóa điều độ nguồn điện.
• Blockchain: Thực hiện giao dịch năng lượng giữa các hộ gia đình (P2P) một cách minh bạch và an toàn.
• Internet vạn vật (IoT): Kết nối các thiết bị tiêu thụ, cảm biến môi trường, inverter, pin để giám sát và điều khiển từ xa.

Chính phủ các nước đang có xu hướng hỗ trợ mạnh mẽ cho microgrid thông qua chính sách ưu đãi, quỹ tài trợ hoặc đầu tư công. Tại Mỹ, chương trình DOE Microgrid Program đã đầu tư hàng trăm triệu USD để phát triển các dự án mẫu có thể nhân rộng.

Trong tương lai, microgrid có thể hoạt động như một phần tử thông minh trong lưới điện quốc gia, đóng vai trò “nhà máy điện ảo” (Virtual Power Plant – VPP), cung cấp dịch vụ phụ trợ, cân bằng tải và điều tần cho toàn hệ thống.

Tài liệu tham khảo

1. U.S. Department of Energy. “Microgrids.” https://www.energy.gov/oe/activities/technology-development/grid-modernization-and-smart-grid/microgrids
2. National Renewable Energy Laboratory (NREL). “Microgrids Research.” https://www.nrel.gov/grid/microgrids.html
3. Lasseter, R.H. (2011). “Smart Distribution: Coupled Microgrids.” Proceedings of the IEEE, 99(6), 1074–1082.
4. Katiraei, F., Iravani, R., Hatziargyriou, N., & Dimeas, A. (2008). “Microgrids management.” IEEE Power and Energy Magazine, 6(3), 54–65.
5. IEEE Std 2030.7-2017. “IEEE Standard for the Specification of Microgrid Controllers.”
6. Hossain, M.S., Pota, H.R., Squartini, S., & Guerrero, J.M. (2021). “A Comprehensive Review on Microgrid and Virtual Power Plant Concepts.” IEEE Access, 9, 26736–26760.
7. Farhangi, H. (2010). “The path of the smart grid.” IEEE Power and Energy Magazine, 8(1), 18–28.
8. IRENA. (2022). “Innovation landscape brief: Community-aggregated electricity markets.” https://www.irena.org