Các thành phần chính trong hệ thống lưu trữ điện năng BESS

Lưu trữ điện năng đóng vai trò thiết yếu trong cơ cấu năng lượng toàn cầu hiện nay. Bên cạnh việc tự chủ năng lượng, tối ưu hóa chi phí vận hành, BESS còn cho phép lưới điện vận hành linh hoạt, ổn định hơn, đồng thời tận dụng hiệu quả các nguồn năng lượng tái tạo. Do đó, các chuyên gia năng lượng hoặc các nhà đầu tư cần có hiểu biết về các thành phần chính trong hệ thống lưu trữ điện năng và cách chúng tương tác để có thể tối ưu hiệu suất hoạt động của BESS. 

Một hệ thống lưu trữ năng lượng tin cậy - BESS (Battery Energy Storage System) dựa trên sự liên kết trơn tru và nhuần nhuyễn giữa 4 thành phần chính gồm: Hệ thống cell pin giúp lưu trữ năng lượng, Hệ thống quản lý pin (BMS) giám sát và bảo vệ pin, Hệ thống chuyển đổi năng lượng (PCS) cung cấp dòng điện khả dụng và Hệ thống quản lý nhiệt giúp kiểm soát nhiệt độ, kéo dài tuổi thọ của pin. 

Ngoài ra, hệ thống lưu trữ BESS còn bao gồm các phần tử quan trọng khác. Dưới đây là đặc điểm và vai trò của các thành phần chính trong hệ thống lưu trữ điện năng. 

Hệ thống pin

Pin lưu trữ được coi là “trái tim” của hệ thống lưu trữ năng lượng BESS, là nơi hấp thu năng lượng từ lưới hoặc nguồn điện tái tạo để phân phối khi cần thiết. 

Thông thường, pin lưu trữ sẽ được liên kết thành các cell pin, sau đó được sắp xếp song song hoặc nối tiếp thành các module và xếp chồng trong các giá đỡ/tủ rack để đạt dung lượng và điện áp cần thiết của hệ thống. Những giá đỡ này chính là nền tảng để tạo nên một hệ thống BESS công suất cao, đủ để phục vụ cho một nhà máy hoặc khu công nghiệp.

Hiện nay, lithium-ion là loại pin được sử dụng phổ biến nhất trong hệ thống BESS nhờ ưu điểm mật độ năng lượng cao, tuổi thọ dài, khả năng sạc nhanh, đặc biệt là phù hợp với các ứng dụng yêu cầu tần suất sạc/xả thường xuyên như tích hợp năng lượng tái tạo. 

Ngoài ra, pin axit - chì cũng là một lựa chọn hợp lý cho các ứng dụng yêu cầu mức năng lượng thấp hơn hoặc thời gian xả lâu hơn. Loại này có mật độ năng lượng thấp và vòng đời ngắn hơn so với lithium - ion. 

Riêng loại pin dòng chảy lại có lợi thế về khả năng mở rộng và tuổi thọ dài nên thích hợp để lắp đặt cho các ứng dụng yêu cầu lưu trữ năng lượng lâu dài và khả năng cung cấp năng lượng cao. 

Hệ thống quản lý pin (BMS)

BMS (Battery Management System) hoạt động như “bộ não” giám sát trạng thái và các thông số của cell pin, bao gồm điện áp, nhiệt độ, dòng điện, nhất là trạng thái sạc (SOC - State of Charge ) và tình trạng hao mòn của pin (SOH - State of Health). Ngay khi phát hiện tình trạng bất thường ở pin, hệ thống quản lý sẽ lập tức ngắt sạc hoặc ngắt kết nối cell pin bị lỗi, để đảm bảo pin hoạt động trong giới hạn an toàn, ngăn ngừa nguy cơ mất ổn định nhiệt có thể gây cháy nổ. 

BMS cũng sử dụng giao thức sạc thông minh, cho phép điều chỉnh tốc độ sạc dựa trên tình trạng cụ thể của pin, từ đó hạn chế hiện tượng quá nhiệt. Bên cạnh đó, BMS còn có công cụ đánh giá tình trạng “sức khỏe” của pin để dự đoán sự cố và thông báo bảo trì sớm. 

Với các hệ thống quản lý tinh vi hơn, khả năng theo dõi và bảo vệ pin theo thời gian thực không chỉ ở cấp độ tế bào (từng cell pin) mà còn ở cấp độ module, chuỗi pin và toàn bộ hệ thống nhằm cân bằng và kiểm soát pin, quản lý điều khiển nhiệt và ngăn ngừa tình trạng thoát nhiệt. 

Dưới đây là ví dụ về một hệ thống quản lý pin 3 tầng với 3 cấp của BMS gồm: bộ điều khiển chính (MBMS), module quản lý chuỗi (SBMS) và các đơn vị giám sát pin (BMU). Mỗi SBMS sẽ quản lý tối đa 60 BMU. 

Hệ thống chuyển đổi điện năng (PCS)/ biến tần lai

Pin trong hệ thống BESS lưu trữ điện dưới dạng dòng điện một chiều DC, trong khi lưới điện hoạt động ở dòng điện xoay chiều AC. Do đó, để có thể kết nối khối pin và lưới điện, BESS cần có hệ thống chuyển đổi công suất 2 chiều (PCS) hoặc inverter tích hợp (biến tần lai). 

PCS chịu trách nhiệm chuyển đổi dòng điện 1 chiều được lưu trữ trong pin thành dòng xoay chiều để sử dụng cho các hệ thống dân dụng, công nghiệp, thương mại, đồng thời hỗ trợ chuyển đổi năng lượng 2 chiều, tức là vừa có thể truyền điện năng lên lưới, vừa lấy lại năng lượng từ lưới để sạc pin. Đặc biệt, PCS có thể lập trình để xả pin trong thời điểm giá điện cao hoặc khi lưới cần hỗ trợ công suất và sạc pin khi giá điện thấp hoặc dư thừa nguồn năng lượng tái tạo. 

Để thực hiện được điều này, PCS luôn trao đổi với BMS về trạng thái pin (gồm SOC - trạng thái sạc và DOD - độ xả sâu cho phép) để cung cấp công suất sạc/xả chính xác và tức thời ngay khi nhận được yêu cầu từ lưới hoặc phụ tải. Thiết bị này có thể được điều khiển bằng chế độ cài đặt trước, tín hiệu bên ngoài (thiết bị đo lường, SCADA) hoặc hệ thống quản lý năng lượng (EMS). Với khả năng phản ứng chỉ trong vòng mili giây, PCS giúp BESS phù hợp với các ứng dụng điều tần hoặc ổn định lưới điện. 

Có 2 công nghệ phổ biến được sử dụng cho Bộ chuyển đổi điện năng là IGBT và MOSFET. Trong khi công nghệ IGBT phù hợp với nhiều ứng dụng có công suất từ trung bình đến cao thì MOSFET thường được sử dụng cho các ứng dụng công suất thấp. 

PCS cũng hỗ trợ 2 cấu hình phổ biến là AC Coupled (Ghép nối AC) và DC Coupled (Ghép nối DC). Đối với các hệ thống điện mặt trời kết hợp pin lưu trữ có thể tích hợp 2 cấu hình này. 

• AC Coupled: BESS được kết nối với hệ thống PV ở phía AC của biến tần. Trong cấu hình này, BESS có biến tần chuyên dụng riêng được kết nối với pin. 

• DC Coupled: Pin của BESS và hệ thống PV chia sẻ chung 1 DC Bus và biến tần lai. 

Bộ điều khiển

Đây chính là “bộ não” của toàn bộ hệ thống BESS. Bộ điều khiển thực hiện nhiệm vụ theo dõi, giám sát, bảo vệ và điều phối cho các hệ thống con. Bên cạnh đó, bộ phận này còn có thể kết nối với các thiết bị bên ngoài (đồng hồ đo lường, máy biến áp), thậm chí là giao tiếp với hệ thống giám sát điều khiển (SCADA) và hệ thống quản lý năng lượng (EMS) của bên thứ 3 để thu thập dữ liệu, đảm bảo BESS hoạt động tối ưu nhất. 

Bộ điều khiển tích hợp nhiều cấp độ bảo vệ như bảo vệ quá tải khi sạc và bảo vệ ngược dòng khi xả nên duy trì được độ tin cậy của BESS trong quá trình vận hành.

Hệ thống quản lý năng lượng (EMS)

Hệ thống EMS đảm nhận chức năng giám sát và lên lịch hoạt động cho BESS, bao gồm kế hoạch bảo trì sớm khi cần thiết. 

Thông qua giao tiếp với PCS và BMS, cũng như kết nối với hệ thống SCADA/ các thiết bị đo đạc lưới để nhận thông tin về phụ tải, tần số, giá điện, EMS có thể đưa ra lịch trình sạc/xả tối ưu dựa trên giá năng lượng và tình trạng lưới điện, đồng thời điều phối năng lượng giữa hệ thống lưu trữ, điện lưới và các nguồn điện từ năng lượng tái tạo để cân bằng cung cầu và đảm bảo an ninh năng lượng. Trong lưới điện thông minh, vai trò của EMS còn được thể hiện ở các dịch vụ lưới như cắt đỉnh, điều tần, điều áp, hòa lưới, hỗ trợ công suất phản kháng… dựa trên thuật toán để phản ứng với tín hiệu cụ thể từ hệ thống truyền tải. 

Một hệ thống quản lý năng lượng tin cậy sẽ cân bằng được hiệu quả kinh tế (doanh thu từ BESS, tiết kiệm hóa đơn tiền điện) và duy trì tuổi thọ của pin, từ đó duy trì hệ thống lưu trữ bền vững. 

Hệ thống quản lý nhiệt

Công dụng chính của hệ thống quản lý nhiệt là luôn duy trì phạm vi nhiệt độ an toàn của hệ thống pin, giúp ngăn ngừa hiện tượng quá nhiệt có thể gây cháy nổ hoặc làm giảm tuổi thọ pin. 

Các phương pháp quản lý nhiệt phổ biến cho BESS gồm: 

• Làm mát thụ động sử dụng không khí tự nhiên. 
• Làm mát chủ động sử dụng quạt, máy bơm. 
• Làm mát bằng chất lỏng để truyền nhiệt ra khỏi pin. 
• Sử dụng vật liệu thay đổi pha (PCM) để hấp thụ và giải phóng nhiệt. 

Trong đó, làm mát bằng chất lỏng là phương pháp được ưu tiên sử dụng nhất với ưu điểm truyền nhiệt hiệu quả. 

Vỏ bảo vệ

Lớp vỏ này cung cấp sự bảo vệ cho các module pin và các thành phần quan trọng khác trong hệ thống lưu trữ năng lượng BESS khỏi tác động vật lý và sự ảnh hưởng từ yếu tố môi trường. 

Một số yêu cầu về vỏ bảo vệ của hệ thống BESS gồm: 

• Cấu trúc container, dạng module với cấp bảo vệ cao, thấp nhất là IP65, phù hợp để lắp đặt ngoài trời. 
• Có khả năng chống nước tuyệt đối để ngăn ngừa độ ẩm làm hư hỏng pin và các thiết bị điện tử bên trong. 
• Cách nhiệt và kiểm soát nhiệt hiệu quả để hạn chế tình trạng mất ổn định nhiệt của pin. 
• Vỏ phải được phủ lớp chống ăn mòn và sợi thủy tinh để kéo dài tuổi thọ. 
• Vỏ chống được tia UV và sự xuống cấp của vật liệu xây dựng. 
• Sử dụng vật liệu chống cháy, đồng thời có khả năng duy trì tính toàn vẹn trong trường hợp động đất. 

Ngoài các thành phần quan trọng trên, một hệ thống lưu trữ năng lượng BESS còn có các thành phần phụ trợ như: 

• Hệ thống giám sát điều khiển (SCADA): Giám sát các bộ phận của BESS thông qua PLC, giao tiếp với biến tần, BMS và đồng hồ đo, góp phần tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng và duy trì tuổi thọ của BESS. 
• Máy biến áp: Đảm nhận chức năng tăng/ giảm mức điện áp phù hợp với yêu cầu của lưới điện hoặc hệ thống cục bộ. 
• Thiết bị đóng ngắt: Giúp bảo vệ và kiểm soát dòng điện, cô lập các phần tử bị lỗi trong hệ thống và ngăn ngừa nhiễu điện lan rộng. 
• Hệ thống chữa cháy: Lớp bảo vệ bổ sung trong trường hợp pin thoát nhiệt, giúp dập tắt đám cháy và hấp thụ nhiệt. Hệ thống này thường được thiết kế theo kích thước của vỏ bọc BESS.

Một số câu hỏi về các thành phần chính của hệ thống lưu trữ điện năng

Câu hỏi 1: Vì sao hệ thống BESS cần có bộ chuyển đổi năng lượng hoặc biến tần lai?

Trả lời: Pin của BESS thông thường chỉ lưu trữ dòng điện một chiều DC, trong khi đầu ra của BESS yêu cầu dòng điện xoay chiều AC. Lúc này, PCS hoặc biến tần lai chịu trách nhiệm biến đổi dòng điện 2 chiều, từ DC thành AC để xả năng lượng trong pin và từ AC thành DC để nạp cho cell pin. 

Câu hỏi 2: Hệ thống quản lý pin (BMS) có nhiệm vụ gì trong BESS?

Trả lời: BMS thực hiện nhiệm vụ giám sát, điều chỉnh nhiệt độ, điện áp, dòng điện, trạng thái sạc - xả của pin để hạn chế tình trạng mất ổn định nhiệt ở các cell pin, từ đó bảo vệ và gia tăng tuổi thọ của pin BESS. 

Câu hỏi 3: Tại sao hệ thống BESS cần phải quản lý nhiệt?

Trả lời: Cháy nổ là một trong những mối đe dọa lớn nhất ở hệ thống pin lưu trữ. Nguyên nhân cháy nổ của BESS phần lớn đến từ sự thoát nhiệt của hệ thống pin. Vì vậy, BESS cần phải được trang bị hệ thống làm mát để quản lý nhiệt, đảm bảo pin luôn được duy trì ở ngưỡng nhiệt an toàn, ngăn ngừa tình trạng quá nhiệt và cải thiện hiệu suất hệ thống.