BESS có thể được sử dụng để giảm tải đỉnh trong lưới điện đô thị không?

Hiểu về việc cắt đỉnh tải và áp lực lên lưới điện đô thị

Các lưới điện đô thị đối mặt với sự chênh lệch cơ bản giữa nguồn cung và nhu cầu. Lượng tiêu thụ điện tăng mạnh vào các khung giờ sáng và chiều, khi các tòa nhà thương mại, hệ thống giao thông công cộng và người dùng dân dụng đồng loạt lấy điện. Khoảng chênh lệch giữa mức tải nền và các đỉnh nhu cầu này buộc các đơn vị vận hành lưới điện phải duy trì công suất dự phòng quay — tức là các nhà máy điện vận hành ở công suất một phần, đốt nhiên liệu trong khi chờ các đợt tăng nhu cầu có thể xảy ra hoặc không.

Cắt đỉnh tải giải quyết sự kém hiệu quả này bằng cách giảm công suất tối đa được lấy từ lưới điện trong các giai đoạn nhu cầu cao. Thay vì tăng sản lượng phát điện, các công ty điện lực hoặc người tiêu thụ lớn triển khai năng lượng đã được tích trữ để bù đắp phần chênh lệch. Lợi ích kinh tế của việc cắt đỉnh tải ngày càng rõ rệt hơn khi giá điện theo thời gian sử dụng trở thành tiêu chuẩn tại các thị trường đô thị, nơi mức giá vào giờ cao điểm có thể cao gấp ba lần hoặc hơn so với mức giá ngoài giờ cao điểm.

BESS — Hệ thống lưu trữ năng lượng pin — đã nổi lên như công nghệ chủ đạo cho ứng dụng này. Khác với hệ thống thủy điện tích năng truyền thống đòi hỏi địa hình đặc thù, hoặc hệ thống bánh đà chỉ giới hạn ở các xung ngắn hạn, lưu trữ pin có thể mở rộng quy mô từ các ứng dụng tại tòa nhà thương mại đến các trạm quy mô công ích phục vụ toàn bộ khu đô thị.

Cách Hệ thống lưu trữ năng lượng pin thực hiện cắt đỉnh tải trong môi trường đô thị

Logic chu kỳ sạc – xả

Một bESS việc lắp đặt kết nối với trạm biến áp đô thị sạc vào các khung giờ thấp điểm — thường từ nửa đêm đến 6 giờ sáng, khi công suất phát cơ bản vượt quá nhu cầu. Năng lượng được lưu trữ sau đó được đưa trở lại lưới điện trong giờ cao điểm buổi sáng (7–10 giờ sáng) và giờ cao điểm buổi tối (5–9 giờ tối), làm phẳng đường cong tải ròng mà mạng truyền tải cấp trên phải xử lý.

Các pin lithium sắt phốt phát (LiFePO4) chiếm ưu thế trong các hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) đô thị vì nhiều lý do. Độ ổn định nhiệt của chúng giúp giảm nguy cơ cháy nổ tại các khu vực đông dân cư, nơi một sự cố mất kiểm soát nhiệt có thể gây hậu quả không thể chấp nhận được. Tuổi thọ chu kỳ vượt quá 6.000 lần sạc-xả ở độ sâu xả 80% nghĩa là một hệ thống được lắp đặt hôm nay vẫn duy trì hiệu quả kinh tế trong suốt 15–20 năm vận hành cắt đỉnh hàng ngày.

Một công ty cung cấp điện địa phương tại Đông Nam Á đã triển khai hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) công suất 20 MW / dung lượng 40 MWh tại một trạm biến áp đô thị bị quá tải, nơi điều kiện không gian vật lý không cho phép lắp thêm máy biến áp thứ ba. Hệ thống pin hấp thụ đỉnh tải điều hòa không khí buổi chiều lên đến 15 MW, trì hoãn khoản chi đầu tư vốn khoảng 12 triệu USD cho việc nâng cấp trạm biến áp trong thời gian ước tính bảy năm.

Tích hợp với cơ sở hạ tầng trạm biến áp hiện hữu

Các hệ thống BESS đô thị thường kết nối ở cấp điện áp trung thế (10–35 kV) thông qua các máy biến áp tăng áp được tích hợp vào container pin hoặc lắp đặt liền kề với container đó. Hệ thống chuyển đổi điện lực (PCS) quản lý dòng công suất hai chiều, chuyển đổi từ chế độ chỉnh lưu khi sạc sang chế độ nghịch lưu khi xả trong vòng vài miligiây sau khi nhận tín hiệu điều khiển từ lưới điện.

Các cấu hình BESS lắp trên giá đỡ phù hợp cho việc triển khai tại trạm biến áp trong nhà, nơi diện tích sàn bị hạn chế. Các thiết kế BESS có thể xếp chồng lên nhau cho phép các công ty điện lực mở rộng công suất từng bước — bắt đầu từ một container 5 MWh và bổ sung thêm các đơn vị khi mô hình nhu cầu thay đổi. Cách tiếp cận mô-đun này giúp giảm cam kết vốn ban đầu so với việc xây dựng một cơ sở BESS chuyên dụng.

Yêu cầu kỹ thuật cho việc triển khai BESS tại khu vực đô thị

Các yếu tố về không gian và an toàn

Các trạm biến áp đô thị hiếm khi có đất trống để lắp đặt pin quy mô lớn. Các giải pháp BESS dạng container khắc phục vấn đề này bằng cách chế tạo sẵn toàn bộ hệ thống — bao gồm pin, PCS, hệ thống quản lý nhiệt và hệ thống dập lửa — dưới dạng các container vận chuyển tiêu chuẩn, có thể triển khai trực tiếp trên nền bê tông hiện hữu của trạm biến áp.

Các quy trình an toàn phòng cháy chữa cháy yêu cầu bảo vệ nhiều lớp: giám sát ở cấp độ tế bào nhằm phát hiện các bất thường về điện áp trước khi xảy ra hiện tượng mất kiểm soát nhiệt; phát hiện khí ở cấp độ mô-đun để kích hoạt hệ thống thông gió trước khi hơi điện phân dễ cháy tích tụ; và hệ thống dập lửa dạng sương mù ở cấp độ container tự động kích hoạt. Tiêu chuẩn NFPA 855 quy định yêu cầu lắp đặt cho các hệ thống lưu trữ năng lượng, bao gồm khoảng cách tách biệt và yêu cầu thông gió mà các triển khai tại khu vực đô thị phải đáp ứng do vị trí gần các tòa nhà có người sinh sống.

Tiêu chuẩn kết nối với lưới điện

IEEE 1547 quy định việc kết nối các nguồn năng lượng phân tán, bao gồm hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS), với lưới điện. Các triển khai tại khu vực đô thị phải chứng minh khả năng duy trì kết nối — tức là vẫn kết nối trong suốt các đợt sụt giảm điện áp ngắn hạn thay vì ngắt kết nối, bởi hành động ngắt kết nối sẽ làm trầm trọng thêm tình trạng bất ổn của lưới điện trong chính những sự kiện đỉnh điểm mà hệ thống được thiết kế nhằm giảm thiểu. Bộ chuyển đổi nguồn điện (PCS) phải đồng bộ với tần số lưới điện trong phạm vi ±0,5 Hz và phản hồi các tín hiệu điều độ từ bên cung cấp dịch vụ tiện ích thông qua tích hợp với hệ thống SCADA.

Các câu hỏi thường gặp

Cần hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) có dung lượng bao nhiêu để cắt đỉnh tải tại khu vực đô thị?

Các ứng dụng cho tòa nhà thương mại thường yêu cầu dung lượng từ 500 kWh đến 2 MWh nhằm cắt đỉnh tải ở cấp độ cơ sở. Việc cắt đỉnh tải ở cấp độ trạm biến áp phân phối đòi hỏi dung lượng từ 10 đến 50 MWh, tùy thuộc vào đặc điểm tải của các đường dây cấp điện. Các triển khai quy mô tiện ích tại khu vực đô thị dao động từ 100 MWh trở lên. Việc xác định dung lượng phụ thuộc vào mức độ đỉnh tải, thời gian kéo dài của đỉnh tải và tỷ lệ giảm tải mục tiêu, chứ không dựa trên bất kỳ công thức cố định nào.

Một hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) có thể duy trì xả điện để cắt đỉnh tải trong bao lâu?

Hầu hết các hệ thống san phẳng đỉnh tải đô thị nhắm vào thời gian xả liên tục từ 2 đến 4 giờ ở công suất định mức. Điều này bao phủ cửa sổ tải đỉnh điển hình vào buổi sáng hoặc buổi tối. Các hệ thống có thời gian vận hành dài hơn (6–8 giờ) tồn tại nhưng chi phí trên mỗi kWh cao hơn, thường không đủ cơ sở để biện minh cho dung lượng bổ sung chỉ nhằm mục đích san phẳng đỉnh tải; tuy nhiên, chúng tạo thêm giá trị thông qua các dịch vụ phụ trợ như điều chỉnh tần số.

Việc san phẳng đỉnh tải bằng hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) có hoạt động được khi tích hợp với năng lượng tái tạo không?

Có. Việc kết hợp BESS với điện mặt trời mái nhà hoặc phát điện gió đô thị tạo thành một hệ thống lai, trong đó lượng điện dư thừa từ nguồn tái tạo vào giữa ngày sạc pin để xả vào giờ cao điểm buổi tối. Giải pháp này giải quyết vấn đề "đường cong vịt" (duck curve), khi sản lượng điện mặt trời giảm mạnh đúng vào lúc nhu cầu buổi tối tăng lên. Các nhà cung cấp như Liaoning Sinotech Group cung cấp giải pháp tích hợp BESS và điện mặt trời dành riêng cho ứng dụng này.

Sự khác biệt giữa hệ thống BESS lắp kiểu tủ (rack-mounting) và hệ thống BESS xếp chồng (stackable) là gì?

BESS lắp trên giá đỡ phù hợp với các giá máy chủ tiêu chuẩn 19 inch dành cho lắp đặt trong nhà trong môi trường được kiểm soát. BESS dạng chồng xếp sử dụng tủ ngoài trời chống thời tiết, được kết nối điện với nhau và giao tiếp thông qua bộ điều khiển trung tâm. Loại lắp trên giá đỡ thích hợp cho các tòa nhà điều khiển trạm biến áp; loại chồng xếp thích hợp cho triển khai ngoài trời trên nền bệ (pad-mounted), nơi không có không gian trong nhà.

BESS cắt đỉnh tải giảm chi phí điện như thế nào?

Các khách hàng thương mại và công nghiệp áp dụng biểu giá điện phân theo thời điểm tránh các khoản phụ thu nhu cầu bằng cách lấy điện từ BESS trong các khung giờ giá cao nhất. Các khoản phụ thu nhu cầu — dựa trên khoảng thời gian 15 phút có mức tiêu thụ cao nhất mỗi tháng — có thể chiếm 30–70% tổng hóa đơn tiền điện của cơ sở. Việc cắt đỉnh tải loại bỏ hoặc giảm các khoản phụ thu này mà không làm giảm lượng năng lượng tiêu thụ thực tế.

Việc lắp đặt BESS tại khu vực đô thị yêu cầu bảo trì như thế nào?

Kiểm tra hệ thống quản lý nhiệt theo quý, kiểm tra dung lượng nửa năm một lần và giám sát từ xa liên tục thông qua hệ thống quản lý pin. Hóa chất LiFePO4 không yêu cầu bổ sung chất điện phân như các lựa chọn thay thế chì-axit. Cân bằng tế bào xảy ra tự động thông qua BMS trong quá trình vận hành ở trạng thái sạc một phần – đặc trưng của chu kỳ tải cắt đỉnh.