Trong hệ thống điện truyền thống, các nhà máy nhiệt điện và thủy điện sử dụng máy phát đồng bộ có rô-to quay với khối lượng lớn. Sự quay liên tục này tạo ra một dạng năng lượng cơ học tích trữ, được gọi là quán tính tự nhiên hệ thống điện.
Quán tính có tác dụng giống như một “bộ đệm” giúp hệ thống chống lại sự thay đổi đột ngột của tần số. Khi xảy ra mất cân bằng công suất giữa phát và tải, tần số có xu hướng biến đổi, nhưng nhờ quán tính, quá trình biến đổi diễn ra chậm hơn, tạo điều kiện để các cơ chế điều khiển thứ cấp có thời gian phản ứng.
Xem thêm
Yếu tố sống còn của thiết bị đóng cắt cho bảo vệ
Cơ chế ghi lại dạng sóng sự cố của các thiết bị bảo vệ hệ thống điện
Tủ RMU là gì và các loại tủ RMU phổ biến
Hiện tượng giảm quán tính tự nhiên hệ thống điện
Khi tỷ trọng năng lượng tái tạo tăng cao, cấu trúc hệ thống điện thay đổi đáng kể. Nguồn điện mặt trời thường nối lưới qua bộ biến đổi điện tử công suất. Khác với máy phát đồng bộ, bộ biến đổi không có phần tử cơ học quay, do đó hầu như không đóng góp quán tính tự nhiên.
Hệ quả là quán tính tổng thể của lưới điện giảm mạnh. Hiện tượng này dẫn đến tốc độ biến đổi tần số tăng lên sau các sự cố. Theo Amir Arsalan Astereki đăng trong tạp chí IET GTD (2025) đã nhấn mạnh rằng quán tính chính là yếu tố quyết định đến mức sụt tần số (frequency nadir) và tốc độ thay đổi tần số (RoCoF – Rate of Change of Frequency).
Ý nghĩa của quán tính tự nhiên đối với ổn định tần số
Khi một sự cố như mất nguồn hoặc tăng phụ tải đột ngột xảy ra, tần số hệ thống thay đổi theo phương trình dao động của máy phát. Với hệ thống có nhiều máy phát đồng bộ, phương trình được mô tả dưới dạng.
(1) 
Trong đó, H là hằng số quán tính (s), ω là tốc độ góc, Pm là công suất cơ từ tua-bin, và Pe là công suất điện phát ra. Phương trình cho thấy hằng số quán tính càng lớn thì tốc độ thay đổi tần số càng nhỏ. Nói cách khác, quán tính chính là yếu tố giảm chấn ban đầu, làm tần số không rơi quá nhanh, giúp hệ thống có “thời gian quý giá” để các cơ chế điều chỉnh công suất tác động.
Kết quả khi quán tính suy giảm
Trong lưới điện có quán tính cao, tần số biến đổi chậm nên mức sụt tần số không quá sâu. Điều này đảm bảo thiết bị bảo vệ hoạt động chính xác và các nhà máy điện có thể kịp thời điều chỉnh công suất. Ngược lại, nếu quán tính thấp, tần số có thể rơi nhanh chỉ trong vài giây, vượt khỏi dải an toàn 49–51 Hz theo quy định của ENTSO-E.
Ngoài ra Amir Arsalan Astereki chỉ ra rằng trong trường hợp này, RoCoF có thể vượt ngưỡng cho phép, làm tăng nguy cơ mất ổn định và dẫn tới sự cố diện rộng. Như vậy, quán tính tự nhiên chính là tuyến phòng thủ đầu tiên bảo vệ sự ổn định của hệ thống.
Hệ quả đối với vận hành và bảo vệ lưới điện
Sự suy giảm quán tính kéo theo nhiều hệ quả vận hành. Các rơ-le bảo vệ tần số có thể tác động sai do tần số giảm quá nhanh. Các nhà máy điện dựa trên cơ chế điều tốc có thể không phản ứng kịp. Trong kịch bản xấu, sự cố lan rộng dẫn đến mất điện diện rộng, còn gọi là hiện tượng mất đồng bộ hoặc blackout.
Do đó, các cơ quan điều độ và tổ chức vận hành hệ thống điện quốc tế đang yêu cầu bổ sung cơ chế quán tính ảo từ các nguồn năng lượng tái tạo thông qua kỹ thuật Virtual Synchronous Generator (VSG) hay Adaptive Virtual Inertia (AVI) để thay thế phần quán tính đã mất.
Quán tính tự nhiên và giải pháp thay thế
Quán tính tự nhiên là một đặc tính cơ bản của hệ thống điện cổ điển, nhưng trong lưới điện hiện đại nó đang dần biến mất. Các giải pháp thay thế như quán tính ảo sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất được phát triển để bù đắp.
Các nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng quán tính ảo có thể cải thiện tới 68% tốc độ thay đổi tần số và giảm 20% độ lệch điện áp DC. Dù vậy, quán tính tự nhiên vẫn được coi là nền tảng vững chắc, khó có thể thay thế hoàn toàn.
Quán tính tự nhiên của hệ thống điện giữ vai trò cốt lõi trong việc duy trì ổn định tần số và giảm tốc độ biến đổi khi có sự cố. Nó giống như một lực hãm tự nhiên giúp hệ thống có thêm thời gian ứng phó. Khi lưới điện ngày càng nhiều năng lượng tái tạo, việc quan tâm đến quán tính không chỉ mang tính học thuật mà còn là yêu cầu thực tiễn để đảm bảo vận hành an toàn.