ระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) สามารถปรับปรุงความมั่นคงของระบบไฟฟ้าแบบไม่เชื่อมต่อกับโครงข่ายได้หรือไม่?

พื้นฐานของระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) สำหรับความมั่นคงของระบบไฟฟ้าแบบไม่เชื่อมต่อกับโครงข่ายหลัก

เหตุใดระบบไฟฟ้าแบบไม่เชื่อมต่อกับโครงข่ายหลักจึงมีความเปราะบาง: ขาดความเฉื่อยจากโครงข่ายหลัก และมีความสามารถจำกัดในการทำงานต่อเนื่องผ่านภาวะผิดปกติ (Limited Fault Ride-Through)

ระบบอิสระจากโครงข่ายไฟฟ้า (Grid independent systems) ไม่มีความเฉื่อยเชิงการหมุน (rotational inertia) แบบเดียวกับที่เกิดจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่หมุนอยู่ในโครงข่ายไฟฟ้าทั่วไป ความเฉื่อยนี้ทำหน้าที่คล้ายตัวดูดซับแรงกระแทกให้กับระบบ ช่วยรักษาเสถียรภาพของระบบเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงความต้องการใช้พลังงานอย่างฉับพลัน หรือเมื่อการผลิตไฟฟ้าลดลงอย่างไม่คาดคิด แต่เมื่อตัวกันกระแทกตามธรรมชาตินี้ไม่มีอยู่ ปัญหาเล็กน้อยอาจลุกลามจนควบคุมไม่ได้อย่างรวดเร็ว ส่งผลให้ความถี่ของระบบผันผวนอย่างรุนแรงและอันตรายยิ่งขึ้น ปัญหาที่ทำให้สถานการณ์แย่ลงคือ ระบบนอกโครงข่ายไฟฟ้า (off-grid setups) จำนวนมากประสบความยากลำบากในการรองรับภาวะข้อบกพร่องชั่วคราว (fault ride through capability) กล่าวคือ โปรโตคอลความปลอดภัยมาตรฐานมักจะสั่งหยุดการทำงานของอินเวอร์เตอร์ หรือตัดจ่ายไฟไปยังโหลดบางส่วนทันทีที่เกิดการตกของแรงดันไฟฟ้า หรือความถี่ผันผวนเพียงชั่วคราว แทนที่จะพยายามรักษาการจ่ายไฟให้ดำเนินต่อไปให้ดีที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ปัญหานี้ยิ่งรุนแรงขึ้นโดยเฉพาะในพื้นที่ห่างไกล ซึ่งไม่มีแหล่งจ่ายไฟสำรองอื่นใดอยู่ใกล้เคียงเลย ส่งผลให้ความผิดปกติเล็กน้อยเหล่านี้มักกลายเป็นเหตุการณ์ไฟดับทั้งระบบ ด้วยเหตุข้อบกพร่องโดยธรรมชาติทั้งหมดเหล่านี้ จึงจำเป็นต้องนำมาตรการเสริมความมั่นคงเฉพาะทางมาบูรณาการตั้งแต่ขั้นตอนการออกแบบเบื้องต้น เพื่อให้มั่นใจว่าการดำเนินงานนอกโครงข่ายไฟฟ้าจะมีความน่าเชื่อถือและแข็งแกร่งอย่างยั่งยืนในระยะยาว

ความสามารถหลักของระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS): การตอบสนองอย่างรวดเร็ว การไหลของกำลังไฟฟ้าแบบสองทิศทาง และการเลื่อนเวลาการใช้พลังงาน

ระบบ BESS จัดการปัญหาเหล่านี้ได้สามวิธีหลักที่ส่งผลจริงอย่างมีน้ำหนัก ประการแรก คือความเร็วในการตอบสนอง ซึ่งโดยส่วนใหญ่สามารถตอบสนองได้ภายใน 100 มิลลิวินาที ความเร็วนี้ทำให้ระบบสามารถปล่อยหรือดูดซับพลังงานได้ทันทีทันใดเมื่อความถี่เริ่มเบี่ยงเบนจากค่ามาตรฐาน จึงช่วยป้องกันไม่ให้เกิดความไม่เสถียรของระบบก่อนที่สถานการณ์จะลุกลาม ประการที่สอง คือความสามารถในการส่งผ่านพลังงานทั้งสองทิศทาง หมายความว่าระบบสามารถสลับระหว่างโหมดการชาร์จและโหมดการคายประจุได้อย่างราบรื่นแบบเรียลไทม์ ซึ่งช่วยสมดุลความผันผวนของแหล่งพลังงานหมุนเวียนให้สอดคล้องกับความต้องการของผู้บริโภคที่เปลี่ยนแปลงไป ประการสุดท้าย คือการเก็บพลังงานส่วนเกินที่ผลิตได้จากแผงโซลาร์เซลล์หรือกังหันลมในช่วงเวลาที่ความต้องการไฟฟ้าต่ำ แล้วนำพลังงานที่เก็บไว้นั้นมาใช้ประโยชน์ในช่วงพีคหรือเมื่อไม่มีลมพัดหรือไม่มีแสงแดดส่อง ตามผลการวิจัยล่าสุดปี 2023 ที่จัดทำร่วมกันโดย Microgrid Institute และ NREL การดำเนินการเช่นนี้ช่วยลดการใช้งานเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลลงประมาณ 30 ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ในชุมชนที่แยกตัวเดี่ยวและมีไมโครกริดเป็นของตนเอง

การปรับเสถียรภาพความถี่และแรงดันไฟฟ้าโดยระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS)

ความเฉื่อยเทียมและการควบคุมแบบดรอป: การชดเชยไมโครกริดที่ขับเคลื่อนด้วยอินเวอร์เตอร์เป็นหลัก

ไมโครกริดที่ใช้อินเวอร์เตอร์เป็นหลักกำลังแพร่หลายมากขึ้น โดยเฉพาะในพื้นที่ที่แหล่งพลังงานหมุนเวียนมีบทบาทสำคัญต่อระบบไฟฟ้าแบบออฟกริด ระบบเหล่านี้ไม่มีความเฉื่อยเชิงการหมุนตามธรรมชาติเหมือนกับระบบโครงข่ายไฟฟ้าแบบดั้งเดิม จึงมีความเปราะบางสูงต่อการเปลี่ยนแปลงความถี่อย่างฉับพลันเมื่อเกิดความไม่สมดุลระหว่างพลังงานที่ผลิตขึ้นกับพลังงานที่ใช้งานจริง ระบบจัดเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่ (Battery Energy Storage Systems) ช่วยเสริมประสิทธิภาพโดยเลียนแบบสิ่งที่เราเรียกว่า 'ความเฉื่อยเทียม (synthetic inertia)' โดยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังจะตรวจจับการเปลี่ยนแปลงความถี่ (ซึ่งเรียกว่า RoCoF) แล้วปล่อยหรือดูดพลังงานเข้า-ออกจากระบบอย่างรวดเร็วมาก ทำให้อัตราการเปลี่ยนแปลงความถี่ (RoCoF) ลดลงมากกว่าครึ่งหนึ่ง เมื่อเปรียบเทียบกับระบบที่ไม่มีการควบคุมดังกล่าว นอกจากนี้ยังมีเทคนิคการควบคุมแบบ 'droop control' ซึ่งช่วยให้แหล่งจ่ายพลังงานต่างๆ สามารถแบ่งเบาภาระงานกันได้โดยอัตโนมัติ กล่าวคือ เมื่อความถี่ลดลง แบตเตอรี่จะปล่อยพลังงานที่เก็บไว้เพื่อช่วยรักษาเสถียรภาพของระบบ และเมื่อมีพลังงานส่วนเกินในระบบ แบตเตอรี่จะดูดซับพลังงานส่วนเกินนั้นไว้แทน คุณลักษณะทั้งหมดเหล่านี้ทำงานร่วมกันเพื่อทำหน้าที่คล้ายคลึงกับเครื่องจักรแบบซิงโครนัสแบบดั้งเดิม ช่วยให้ระบบดำเนินงานได้อย่างราบรื่นแม้ในกรณีที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าหยุดทำงานกะทันหัน หรือโหลดเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลัน โดยส่วนใหญ่ไม่จำเป็นต้องมีผู้ปฏิบัติงานเข้ามาจัดการด้วยตนเอง

การสนับสนุนพลังงานปฏิกิริยาแบบไดนามิกและการควบคุมแรงดันไฟฟ้าอย่างใช้งานจริงผ่านระบบจัดการแบตเตอรี่ (BESS EMS)

ปัญหาความไม่เสถียรของแรงดันไฟฟ้ายังคงส่งผลกระทบต่อระบบไฟฟ้าแบบออฟกริดหลายระบบ ซึ่งพึ่งพาแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์ เป็นหลักอย่างมาก ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบดั้งเดิมไม่ได้ถูกออกแบบมาให้รองรับการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วที่ระบบเหล่านี้ประสบ ระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) ที่ผสานเข้ากับระบบจัดการพลังงานขั้นสูง (EMS) สามารถแก้ไขปัญหานี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ระบบทั้งสองนี้ให้การสนับสนุนกำลังปฏิกิริยาแบบไดนามิก ซึ่งทำงานแยกต่างหากจากกระแสไฟฟ้าปกติ ระบบ EMS ตรวจสอบสถานการณ์บนโครงข่ายไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง และสามารถจัดสรรกำลังปฏิกิริยาแบบคาปาซิทีฟหรืออินดัคทีฟ (VARs) ได้ทันทีเพื่อแก้ไขปัญหาต่าง ๆ เช่น แรงดันไฟฟ้าตก แรงดันไฟฟ้าพุ่งสูงขึ้น หรือคลื่นรูปคลื่นผิดปกติ ในช่วงที่การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ลดลงอย่างฉับพลัน หรือขณะที่มีลมพัดแรงอย่างรุนแรง ระบบจะทำหน้าที่เป็นตัวสำรองกำลังปฏิกิริยา นอกจากนี้ ยังสามารถกรองฮาร์โมนิกที่ไม่ต้องการออกได้ และปรับตัวโดยอัตโนมัติเพื่อรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าให้คงที่ภายในขอบเขตประมาณ ±2% ของค่าปกติ โดยไม่จำเป็นต้องสตาร์ทเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลสำรอง ตามรายงานจากคณะกรรมการไมโครกริด (Microgrid Committee) ของสถาบันวิศวกรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์แห่งสหรัฐอเมริกา (IEEE PES) คุณสมบัติเหล่านี้ช่วยลดเหตุการณ์ไฟฟ้าดับที่เกิดจากปัญหาแรงดันไฟฟ้าลงได้ประมาณ 70% อีกทั้ง การรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าให้คงที่ยังหมายความว่าอุปกรณ์ที่ไวต่อแรงดันจะมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น เนื่องจากไม่ต้องรับภาระจากความผันผวนของแรงดันไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง

ความยืดหยุ่นในการดำเนินงาน: จากการลดพีคโหลดไปสู่การเริ่มต้นระบบใหม่หลังไฟดับทั้งหมด (Black Start)

การปรับสมดุลโหลดและการหลีกเลี่ยงการใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลผ่านการจัดการระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่อัจฉริยะ (BESS)

เมื่อการผลิตพลังงานหมุนเวียนมีความผันผวนขึ้นลง และความต้องการไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงอย่างไม่สามารถคาดการณ์ได้ สิ่งนี้ก่อให้เกิดปัญหาที่แท้จริงต่อระบบไฟฟ้าแบบไม่เชื่อมต่อกับโครงข่ายหลัก (off-grid systems) โดยเฉพาะระบบที่ยังพึ่งพาเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลเป็นหลักสำหรับแหล่งจ่ายไฟสำรอง ระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (Battery Energy Storage Systems: BESS) แก้ไขปัญหาเหล่านี้โดยใช้อัลกอริธึมอัจฉริยะที่สามารถทำนายช่วงเวลาที่เหมาะสมในการเก็บหรือปล่อยพลังงาน ซึ่งช่วยลดความผันผวนของเส้นโค้งโหลด (load curves) อย่างรุนแรงลงได้ประมาณ 60 ถึง 80 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเปรียบเทียบกับกรณีที่ไม่มีการติดตั้งระบบดังกล่าว ระบบเหล่านี้จะดูดซับพลังงานส่วนเกินจากแผงโซลาร์เซลล์หรือกังหันลมในช่วงที่มีการผลิตมากเกินไป จากนั้นจึงคืนพลังงานกลับเข้าสู่โครงข่ายไฟฟ้าในช่วงที่ความต้องการเพิ่มสูงขึ้น ส่งผลให้บริษัทต่างๆ ไม่จำเป็นต้องให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลที่มีราคาแพงทำงานตลอดเวลาเพียงเพื่อรักษาระดับความมั่นคงของระบบไฟฟ้า ตัวอย่างหนึ่งคือ บริษัทเหมืองแร่แห่งหนึ่งรายงานว่า ค่าใช้จ่ายด้านเชื้อเพลิงรายปีลดลงประมาณ 700,000 ดอลลาร์สหรัฐฯ หลังติดตั้งระบบ BESS และสามารถลดระยะเวลาการทำงานของเครื่องยนต์ดีเซลลงเหลือเพียง 8% ของระดับเดิม ขณะยังคงรักษาการดำเนินงานที่จำเป็นทั้งหมดให้เป็นไปอย่างราบรื่นได้อย่างต่อเนื่อง ความสามารถในการติดตามการใช้พลังงานแบบเรียลไทม์และปรับตารางการใช้งานให้สอดคล้องกันยังหมายความว่า เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะไม่ถูกเปิด-ปิดบ่อยครั้ง ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า และยังรับประกันว่าจะมีพลังงานสำรองเพียงพอสำหรับใช้งานในกรณีที่เกิดข้อผิดพลาดขึ้นเป็นระยะเวลานาน

ความสามารถในการเริ่มต้นระบบใหม่ขณะไม่มีการเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า: การฟื้นฟูโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญนอกโครงข่ายไฟฟ้าโดยไม่ต้องอาศัยความช่วยเหลือจากภายนอก

ระบบแบบไม่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า (Off-grid systems) อาจล้มเหลวอย่างสิ้นเชิงได้ในบางครั้ง แต่ระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (Battery Energy Storage Systems: BESS) มีความสามารถพิเศษที่เรียกว่า ความสามารถในการเริ่มต้นระบบอัตโนมัติหลังการดับไฟทั้งหมด (autonomous black start capability) ซึ่งระบบเหล่านี้สามารถคืนพลังงานให้กับโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญได้ด้วยตนเอง โดยไม่จำเป็นต้องอาศัยความช่วยเหลือจากโครงข่ายไฟฟ้าภายนอก หรือการสตาร์ทเครื่องกำเนิดไฟฟ้าด้วยมือของบุคคลใดๆ เครื่องยนต์ดีเซลแบบดั้งเดิมต้องผ่านขั้นตอนหลายขั้นตอน เช่น การป้อนเชื้อเพลิงเข้าระบบ (fuel priming) การสตาร์ทเครื่องยนต์ (cranking engines) และการปรับจังหวะการทำงานให้สอดคล้องกันอย่างถูกต้อง (synchronization) ขณะที่ BESS สามารถข้ามขั้นตอนที่ยุ่งยากทั้งหมดนี้ไปได้ และให้แรงดันไฟฟ้าและความถี่ที่เสถียรได้เกือบจะทันที ซึ่งช่วยให้ควบคุมไมโครกริด (microgrid controllers) กลับมาทำงานใหม่ และค่อยๆ คืนพลังงานให้กับโหลดที่มีความสำคัญสูงสุด (priority loads) ยกตัวอย่างกรณีจริงหนึ่งกรณี คือโรงพยาบาลแห่งหนึ่งที่ตั้งอยู่ห่างไกลจากเมืองใหญ่ หลังเกิดเหตุดับไฟฟ้าทั้งหมด (total blackout) ระบบ BESS สามารถคืนพลังงานให้กับโคมไฟผ่าตัดและระบบสนับสนุนชีวิต (life support systems) ได้อีกครั้งภายในเวลาเพียง 28 วินาทีเท่านั้น แล้วกระบวนการนี้ทำงานอย่างไร? ขั้นตอนแรกคือการเชื่อมต่อการสื่อสารของระบบควบคุมใหม่ จากนั้นจึงจ่ายพลังงานให้กับสิ่งที่เราเรียกว่า 'โหลดที่จำเป็น' (essential loads) ซึ่งโดยทั่วไปมีค่าไม่เกิน 10% ของกำลังการผลิตทั้งหมด สุดท้าย ระบบจะนำแหล่งผลิตพลังงานในท้องถิ่นกลับมาใช้งานอีกครั้ง รุ่น BESS รุ่นใหม่ๆ มีคุณสมบัติเสริม เช่น วงจรที่มีการชาร์จไว้ล่วงหน้า (pre-charged circuits) การตรวจจับภาวะเกาะตัว (islanding detection) แบบในตัว และเฟิร์มแวร์ที่ออกแบบให้ทนทานยิ่งขึ้น (toughened firmware) ซึ่งทำให้ระบบเชื่อถือได้แม้ในสถานะที่ถูกปล่อยประจุลงอย่างลึก (deeply discharged) การปรับปรุงทั้งหมดนี้ส่งผลให้ลดการพึ่งพาการจัดส่งเชื้อเพลิงลงอย่างมาก และลดระยะเวลาการสตาร์ทระบบใหม่จากหลายชั่วโมง ลงเหลือเพียงประมาณสองนาทีสูงสุด

ส่วน FAQ

BESS คืออะไร?

ระบบจัดเก็บพลังงานจากแบตเตอรี่ (BESS) คือ เทคโนโลยีที่ใช้จัดเก็บพลังงานเพื่อนำมาใช้ในภายหลัง ซึ่งช่วยเสริมความมั่นคงของระบบจ่ายไฟฟ้า และปรับสมดุลระหว่างความต้องการใช้ไฟฟ้ากับการผลิตไฟฟ้า

เหตุใดระบบแบบไม่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า (off-grid) จึงมีความเปราะบาง?

ระบบแบบไม่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าขาดความเฉื่อยของโครงข่าย (grid inertia) และมักประสบปัญหาในการรับมือกับข้อบกพร่อง (fault ride-through capability) ส่งผลให้เกิดความไม่เสถียรของระบบไฟฟ้าและไฟดับบ่อยครั้ง

BESS ช่วยเสริมความมั่นคงให้กับระบบแบบไม่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าได้อย่างไร?

BESS ให้การตอบสนองอย่างรวดเร็ว การไหลของกำลังไฟฟ้าแบบสองทิศทาง (bidirectional power flow) และการเลื่อนเวลาการใช้พลังงาน (energy time-shifting) ซึ่งช่วยรักษาความมั่นคงของความถี่และแรงดันไฟฟ้า รวมทั้งลดการพึ่งพาเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล

ความสามารถในการเริ่มต้นระบบใหม่จากสภาวะไฟฟ้าดับสนิท (black start capability) คืออะไร?

ความสามารถในการเริ่มต้นระบบใหม่จากสภาวะไฟฟ้าดับสนิท (black start capability) หมายถึง ความสามารถของ BESS ในการฟื้นฟูระบบไฟฟ้าให้กับโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญแบบไม่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าได้ด้วยตนเอง โดยไม่ต้องอาศัยแหล่งพลังงานภายนอกใดๆ