Hệ thống lưu trữ pin (BESS) có thể cải thiện độ ổn định của các hệ thống điện độc lập không?

Những kiến thức nền tảng về BESS cho độ ổn định ngoài lưới

Tại sao các hệ thống ngoài lưới dễ bị tổn thương: Thiếu quán tính lưới và khả năng chịu đựng sự cố hạn chế

Các hệ thống độc lập với lưới điện không có loại quán tính quay tương tự như quán tính do các máy phát điện lớn đang quay trong các lưới điện thông thường tạo ra. Quán tính này hoạt động như một bộ giảm chấn cho hệ thống, giúp duy trì sự ổn định khi có những thay đổi đột ngột về nhu cầu tiêu thụ hoặc khi công suất phát điện giảm bất ngờ. Khi bộ đệm tự nhiên này không tồn tại, những sự cố nhỏ có thể nhanh chóng leo thang ngoài tầm kiểm soát, khiến tần số hệ thống dao động mạnh và nguy hiểm. Điều khiến vấn đề trở nên nghiêm trọng hơn là nhiều hệ thống ngoài lưới gặp khó khăn trong khả năng duy trì vận hành khi xảy ra sự cố (fault ride-through capability). Các giao thức an toàn tiêu chuẩn thường tắt bộ nghịch lưu hoặc cắt nguồn cung cấp cho một số tải mỗi khi điện áp sụt giảm hoặc tần số dao động ngắn hạn, thay vì cố gắng duy trì hoạt động bình thường ở mức tốt nhất có thể. Tình huống này đặc biệt nghiêm trọng tại các khu vực xa xôi, nơi gần như không có nguồn cung cấp điện dự phòng nào sẵn có trong khu vực lân cận. Hệ quả là những gián đoạn nhỏ thường biến thành các đợt mất điện hoàn toàn. Do tất cả những điểm yếu vốn có này, các biện pháp ổn định đặc biệt cần được tích hợp ngay từ giai đoạn thiết kế ban đầu nếu chúng ta muốn đảm bảo các hoạt động ngoài lưới luôn đáng tin cậy và bền bỉ theo thời gian.

Các khả năng cốt lõi của hệ thống lưu trữ pin (BESS): Phản hồi nhanh, dòng công suất hai chiều và dịch chuyển thời gian năng lượng

Các hệ thống BESS giải quyết những vấn đề này theo ba cách chính, thực sự mang lại hiệu quả rõ rệt. Điều đầu tiên đáng chú ý là tốc độ phản ứng cực nhanh của chúng — thường dưới 100 mili giây. Nhờ tốc độ này, các hệ thống có thể ngay lập tức bơm vào hoặc hấp thụ công suất ngay khi tần số bắt đầu lệch khỏi mức tiêu chuẩn, từ đó ngăn chặn tình trạng mất ổn định hệ thống trước khi nó trở nên nghiêm trọng. Một tính năng quan trọng khác là khả năng truyền tải công suất hai chiều. Điều này nghĩa là quá trình chuyển đổi liên tục giữa sạc và xả diễn ra một cách trơn tru trong thời gian thực, giúp cân bằng những biến động của nguồn năng lượng tái tạo với nhu cầu tiêu thụ điện thay đổi liên tục của người dùng. Ngoài ra, còn có việc lưu trữ năng lượng dư thừa từ các tấm pin mặt trời hoặc tuabin gió trong những thời điểm nhu cầu sử dụng điện thấp. Năng lượng được lưu trữ này sẽ rất hữu ích vào các giờ cao điểm hoặc khi không có gió thổi và không có ánh nắng mặt trời. Theo một nghiên cứu gần đây năm 2023 do Viện Microgrid và Phòng Thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Hoa Kỳ (NREL) thực hiện, phương pháp này giúp giảm mức độ sử dụng máy phát điện diesel khoảng 30–50% tại các cộng đồng biệt lập vận hành lưới điện vi mô riêng.

Ổn định tần số và điện áp do hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) điều khiển

Quán tính nhân tạo và Điều khiển độ dốc: Bù đắp cho các lưới vi mô chiếm ưu thế bởi bộ nghịch lưu

Các lưới điện vi mô dựa trên bộ nghịch lưu đang trở nên phổ biến hơn, đặc biệt ở những khu vực mà năng lượng tái tạo chiếm ưu thế trong các hệ thống ngoài lưới. Những hệ thống này không có quán tính quay tự nhiên như các lưới điện truyền thống, do đó rất dễ bị ảnh hưởng bởi những thay đổi đột ngột về tần số khi xảy ra mất cân bằng giữa công suất được phát ra và công suất tiêu thụ. Các Hệ thống Lưu trữ Năng lượng Pin (BESS) hỗ trợ bằng cách mô phỏng hiện tượng gọi là 'quán tính tổng hợp'. Về cơ bản, các thiết bị điện tử công suất sẽ phát hiện những thay đổi tần số này — còn được gọi là tốc độ thay đổi tần số (RoCoF) — rồi nhanh chóng đưa công suất vào hoặc rút công suất ra khỏi hệ thống, từ đó làm giảm tốc độ RoCoF hơn một nửa so với các hệ thống không có điều khiển. Ngoài ra, còn có một kỹ thuật điều khiển khác gọi là điều khiển độ dốc (droop control), cho phép các nguồn cung cấp công suất khác nhau tự động chia sẻ tải. Khi tần số giảm, pin sẽ giải phóng năng lượng đã tích trữ để ổn định hệ thống; còn khi thừa công suất, pin sẽ hấp thụ phần thừa đó. Tất cả những tính năng này phối hợp với nhau nhằm hoạt động tương tự như các máy đồng bộ truyền thống, giúp duy trì vận hành ổn định cho toàn bộ hệ thống ngay cả khi các máy phát bị ngắt đột ngột hoặc tải thay đổi bất ngờ — và hầu hết thời gian không cần sự can thiệp thủ công của con người.

Hỗ trợ Công suất Phản kháng Động và Điều chỉnh Điện áp Chủ động thông qua Hệ thống Quản lý Pin (BESS EMS)

Tình trạng mất ổn định điện áp tiếp tục gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến nhiều hệ thống ngoài lưới điện, đặc biệt là những hệ thống phụ thuộc mạnh vào các nguồn năng lượng tái tạo như gió và mặt trời. Các bộ điều chỉnh điện áp truyền thống đơn giản là không được thiết kế để xử lý những biến đổi nhanh chóng mà các hệ thống này thường gặp phải. Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (BESS) kết hợp với Hệ thống quản lý năng lượng tiên tiến (EMS) giải quyết hiệu quả vấn đề này. Những hệ thống này cung cấp hỗ trợ công suất phản kháng động, hoạt động độc lập với dòng công suất thông thường. EMS liên tục giám sát tình trạng vận hành của lưới điện và có thể triển khai ngay lập tức công suất phản kháng dung tính hoặc cảm tính nhằm khắc phục các sự cố như sụt giảm điện áp, tăng vọt điện áp hoặc dạng sóng bất thường. Trong trường hợp sản lượng điện mặt trời giảm đột ngột hoặc xuất hiện các đợt gió mạnh, hệ thống sẽ dự trữ công suất phản kháng. Đồng thời, hệ thống cũng lọc bỏ các hài bậc cao không mong muốn và tự động điều chỉnh để duy trì mức điện áp ổn định trong khoảng ±2% so với giá trị định mức — mà không cần khởi động máy phát diesel dự phòng. Theo báo cáo từ Ủy ban Vi-lưới (Microgrid Committee) của Hiệp hội Kỹ sư Điện và Điện tử IEEE (IEEE PES), các tính năng này giúp giảm khoảng 70% số lần mất điện do các vấn đề liên quan đến điện áp. Hơn nữa, việc duy trì sự ổn định còn giúp kéo dài tuổi thọ của các thiết bị nhạy cảm, bởi chúng không bị chịu tải do các dao động liên tục.

Độ bền vận hành: Từ cắt đỉnh tải đến khởi động lại từ trạng thái mất điện hoàn toàn

Cân bằng tải và tránh sử dụng máy phát điện diesel thông qua việc điều độ thông minh hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS)

Khi sản lượng điện từ năng lượng tái tạo tăng giảm thất thường và nhu cầu tiêu thụ điện biến động khó lường, điều này gây ra những vấn đề thực tế cho các hệ thống độc lập với lưới điện, đặc biệt là những hệ thống vẫn còn phụ thuộc đáng kể vào máy phát điện diesel để cung cấp nguồn dự phòng. Các Hệ thống Lưu trữ Năng lượng Pin (BESS) giải quyết những vấn đề này bằng cách sử dụng các thuật toán thông minh có khả năng dự báo thời điểm nên lưu trữ hoặc giải phóng điện năng, nhờ đó làm phẳng đường cong tải dao động mạnh này khoảng 60–80% so với tình trạng không có BESS. Các hệ thống này hấp thụ lượng điện dư thừa từ các tấm pin mặt trời hoặc tuabin gió khi sản lượng vượt quá nhu cầu, sau đó đưa lại lượng điện này vào lưới khi nhu cầu đột ngột tăng cao. Nhờ vậy, các doanh nghiệp không cần phải duy trì hoạt động liên tục của những máy phát điện diesel tốn kém chỉ nhằm đảm bảo mức độ ổn định của nguồn điện. Một công ty khai khoáng đã ghi nhận hóa đơn nhiên liệu hàng năm giảm khoảng 700.000 đô la Mỹ sau khi lắp đặt BESS, đồng thời giảm thời gian vận hành động cơ diesel xuống chỉ còn 8% so với trước đây mà vẫn đảm bảo vận hành trơn tru các hoạt động thiết yếu. Khả năng theo dõi mức tiêu thụ năng lượng theo thời gian thực và điều chỉnh lịch trình vận hành tương ứng cũng giúp hạn chế việc bật/tắt máy phát điện quá thường xuyên — điều này thực tế kéo dài tuổi thọ thiết bị và đảm bảo luôn sẵn sàng nguồn dự phòng đủ lớn trong trường hợp sự cố xảy ra kéo dài.

Khả năng Khởi động Đen: Khôi phục Cơ sở Hạ tầng Ngoại lưới Quan trọng mà Không Cần Hỗ trợ Bên Ngoài

Các hệ thống ngoài lưới đôi khi có thể ngừng hoạt động hoàn toàn, nhưng các hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) lại sở hữu một tính năng đặc biệt gọi là khả năng khởi động lại tự chủ khi mất điện hoàn toàn (autonomous black start capability). Những hệ thống này thực tế có thể khôi phục nguồn điện cho cơ sở hạ tầng quan trọng một cách độc lập, không cần sự hỗ trợ từ lưới điện bên ngoài hay việc vận hành thủ công các máy phát điện. Các tổ máy diesel truyền thống đòi hỏi nhiều bước phức tạp như bơm nhiên liệu sơ bộ, khởi động động cơ và đồng bộ hóa tất cả các thành phần một cách chính xác. Trong khi đó, BESS loại bỏ toàn bộ những thao tác rườm rà này và cung cấp điện áp cùng tần số ổn định gần như ngay lập tức, giúp khởi động lại bộ điều khiển vi mạng (microgrid controllers) và từng bước khôi phục các tải ưu tiên. Hãy xem một ví dụ thực tế tại một bệnh viện nằm xa các thành phố lớn: sau khi xảy ra tình trạng mất điện hoàn toàn, hệ thống BESS đã khôi phục hoạt động của đèn phẫu thuật và các thiết bị hỗ trợ sự sống chỉ trong vòng 28 giây. Cơ chế này hoạt động như thế nào? Quá trình bắt đầu bằng việc khôi phục lại kết nối truyền thông điều khiển, sau đó cấp điện cho những tải thiết yếu (thường chiếm dưới 10% tổng công suất). Cuối cùng, hệ thống đưa trở lại hoạt động các tài sản phát điện cục bộ. Các mẫu BESS mới hơn được trang bị các tính năng như mạch sẵn sàng nạp điện trước, chức năng phát hiện tự động tách lưới (islanding detection) tích hợp và phần mềm điều khiển (firmware) được tăng cường độ bền — nhờ đó đảm bảo độ tin cậy cao ngay cả khi pin ở trạng thái xả sâu. Tất cả những cải tiến này giúp giảm đáng kể sự phụ thuộc vào việc vận chuyển nhiên liệu và rút ngắn thời gian khởi động lại từ vài giờ xuống còn tối đa khoảng hai phút.

Phần Câu hỏi Thường gặp

BESS là gì?

Các hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) là những công nghệ lưu trữ năng lượng để sử dụng sau này, giúp ổn định các hệ thống cung cấp điện và cân bằng giữa nhu cầu tiêu thụ với sản lượng phát điện.

Tại sao các hệ thống ngoài lưới lại dễ bị tổn thương?

Các hệ thống ngoài lưới thiếu quán tính lưới và thường gặp khó khăn trong khả năng duy trì hoạt động khi sự cố xảy ra (fault ride-through), dẫn đến tình trạng mất ổn định điện áp và mất điện thường xuyên.

BESS hỗ trợ ổn định các hệ thống ngoài lưới như thế nào?

BESS cung cấp phản ứng nhanh, dòng công suất hai chiều và dịch chuyển năng lượng theo thời gian, từ đó hỗ trợ ổn định tần số và điện áp, đồng thời giảm phụ thuộc vào máy phát điện diesel.

Khả năng khởi động lại từ trạng thái mất điện hoàn toàn (black start) là gì?

Khả năng khởi động lại từ trạng thái mất điện hoàn toàn (black start) đề cập đến khả năng của BESS tự khôi phục nguồn điện cho cơ sở hạ tầng ngoài lưới quan trọng mà không cần bất kỳ sự hỗ trợ bên ngoài nào.