Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (BESS): Cách thức hoạt động, các thành phần chính, lợi ích và xu hướng tương lai

Hệ thống lưu trữ năng lượng pin lưu trữ năng lượng điện và giải phóng năng lượng đó khi nhà ở, doanh nghiệp, nhà máy năng lượng tái tạo hoặc lưới điện cần đến. Pin chỉ là một phần của hệ thống lưu trữ hoàn chỉnh, hệ thống này cũng cần có bộ chuyển đổi năng lượng, giám sát, quản lý năng lượng, kiểm soát nhiệt độ, bảo vệ và truyền thông.

Quan điểm hệ thống tổng thể đó giải thích tại sao lưu trữ pin xuất hiện từ hệ thống dự phòng điện dân dụng đến việc giảm tải điện năng tiêu thụ trong công nghiệp và lưu trữ pin quy mô lưới điện. Giá trị của nó đến từ việc kiểm soát thời điểm sạc và xả năng lượng.

Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin là gì?

Hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) là một hệ thống điện tích hợp lưu trữ năng lượng trong pin sạc và trả lại năng lượng đó khi điều kiện hoạt động yêu cầu. Kiến trúc điều khiển của nó liên kết pin với tải, lưới điện, nguồn phát điện tái tạo hoặc các nguồn năng lượng đầu vào được phê duyệt khác.

Hệ thống lưu trữ hoàn chỉnh khác với bộ pin như thế nào?

Một hệ thống pin chủ yếu bao gồm các tế bào, mô-đun hoặc bộ pin được kết nối với nhau để cung cấp điện áp và dung lượng cần thiết. Một hệ thống lưu trữ hoàn chỉnh cũng bao gồm cả kiến ​​trúc vận hành xung quanh các pin đó.

Hệ thống đó có thể bao gồm quản lý pin, chuyển đổi năng lượng, quản lý năng lượng, bảo vệ, làm mát, phòng cháy chữa cháy, đo lường và giao diện truyền thông. Pin lưu trữ năng lượng; hệ thống điều khiển xác định xem nó có thể sạc, xả, bảo vệ dung lượng dự trữ hay hỗ trợ lưới điện.

Quá trình lưu trữ pin diễn ra như thế nào từ khi sạc đến khi xả?

Chu trình hoạt động gồm ba giai đoạn liên kết: sạc, lưu trữ và xả có kiểm soát.

Quá trình sạc chuyển đổi năng lượng có sẵn thành năng lượng dự trữ.

Nguồn điện có thể đến từ lưới điện, năng lượng mặt trời, năng lượng gió hoặc các nguồn năng lượng được phép khác. Bộ điều khiển nguồn (PCS) quản lý quá trình chuyển đổi hai chiều và công suất sạc. Hệ thống quản lý pin (BMS) giám sát điện áp, dòng điện, nhiệt độ và trạng thái pin để đảm bảo hoạt động trong giới hạn cho phép.

Hộ gia đình có thể sạc điện từ lượng điện mặt trời dư thừa, trong khi nhà máy có thể sạc điện trong thời kỳ giá điện thấp hơn.

Năng lượng tích trữ vẫn tuân theo các giới hạn vận hành.

Năng lượng dự trữ không phải lúc nào cũng tương đương với năng lượng có thể sử dụng. Trạng thái sạc, yêu cầu dự trữ, nhiệt độ và giới hạn bảo vệ đều ảnh hưởng đến công suất có thể điều chỉnh.

Để dự phòng, một phần pin có thể được giữ lại. Để giảm tải đỉnh, hệ thống có thể tích trữ năng lượng cho đến khi có đỉnh nhu cầu sau đó thay vì xả ngay lập tức.

Việc xả thải tuân theo chiến lược kiểm soát.

Khi cần năng lượng, bộ chuyển đổi nguồn (PCS) sẽ chuyển đổi nguồn DC từ pin thành nguồn AC cho tải hoặc lưới điện. Hệ thống quản lý năng lượng (EMS) có thể quyết định khi nào bắt đầu xả, lượng điện năng được cung cấp và khi nào dừng lại. Sự phối hợp này rất quan trọng vì nhiều mục đích có thể cùng sử dụng nguồn năng lượng dự trữ.

Các thành phần chính của hệ thống là gì?

Các thành phần chính thực hiện các nhiệm vụ khác nhau, nhưng chúng phải trao đổi dữ liệu đáng tin cậy và phản ứng như một hệ thống thống nhất.

Bộ pin và hệ thống quản lý pin (BMS) tạo thành lớp lưu trữ.

Các cell pin được lắp ráp thành các mô-đun, bộ pin, giá đỡ hoặc các khối xếp chồng lên nhau tùy thuộc vào quy mô. Pin lithium sắt photphat, hay LFP, được sử dụng rộng rãi trong lưu trữ năng lượng tĩnh, nơi tuổi thọ chu kỳ và độ ổn định nhiệt là những yếu tố quan trọng.

Hệ thống quản lý pin (BMS) giám sát điện áp, dòng điện, nhiệt độ, trạng thái sạc và các điều kiện bất thường. Nó cũng giúp ngăn ngừa tình trạng sạc quá mức, xả quá mức và hoạt động ngoài giới hạn cho phép.

PCS và EMS kiểm soát dòng năng lượng

Bộ chuyển đổi nguồn (PCS) thực hiện chuyển đổi hai chiều giữa pin và nguồn điện xoay chiều. Công suất định mức của nó ảnh hưởng đến tốc độ sạc và tải trọng tối đa mà hệ thống có thể hỗ trợ cùng một lúc.

Hệ thống quản lý năng lượng (EMS) thu thập dữ liệu từ bộ chuyển đổi nguồn (PCS), hệ thống quản lý pin (BMS), đồng hồ đo, tải và các thiết bị khác. Nó có thể lên lịch sạc và xả dựa trên nhu cầu, giá cả, sản lượng năng lượng tái tạo, yêu cầu dự trữ hoặc hướng dẫn từ lưới điện.

Hỗ trợ vận hành hệ thống nhiệt, báo cháy và thông tin liên lạc

Hệ thống lưu trữ có thể sử dụng làm mát tự nhiên, bằng không khí hoặc bằng chất lỏng tùy thuộc vào mật độ công suất và môi trường. Hệ thống phòng cháy chữa cháy, thiết bị đóng cắt, cảm biến, máy biến áp và thiết bị phân phối bổ sung thêm chức năng điều khiển và bảo vệ. Giao thức CAN, RS485 và Ethernet truyền dữ liệu và lệnh giữa các thiết bị.

kW, kWh, SOC và Duration có nghĩa là gì?

Các thuật ngữ này mô tả các khía cạnh khác nhau của hiệu suất lưu trữ pin.

kW biểu thị công suất, trong khi kWh biểu thị năng lượng.

Công suất (kW) cho biết lượng điện năng mà hệ thống có thể cung cấp tại một thời điểm nhất định. Năng lượng (kWh) hoặc (MWh) cho biết lượng điện năng mà pin có thể lưu trữ hoặc truyền tải theo thời gian.

Một hệ thống công suất cao nhưng năng lượng hạn chế có thể đáp ứng được nhu cầu tăng đột biến trong thời gian ngắn nhưng không thể duy trì được trong nhiều giờ. Một hệ thống năng lượng cao nhưng công suất không đủ vẫn có thể không đáp ứng được tải trọng tức thời lớn.

SOC và Thời lượng xác định Cửa sổ hoạt động

Mức sạc cho biết lượng năng lượng còn lại. Các thiết lập dự trữ tối thiểu, giới hạn bảo vệ, tổn thất và yêu cầu dự phòng sẽ làm giảm phần năng lượng có sẵn để điều khiển hoạt động thường xuyên.

Thời gian hoạt động liên quan mật thiết giữa công suất và năng lượng. Một dự án cần hỗ trợ tải trọng vừa phải trong vài giờ sẽ cần cấu hình khác so với dự án được thiết kế cho sự kiện ngắn hạn, công suất cao.

Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin có thể làm được những gì?

Các ứng dụng khác nhau tùy theo trang web, nhưng một số chức năng xuất hiện lặp đi lặp lại.

Chuyển hướng năng lượng và giảm nhu cầu tiêu thụ điện năng cao điểm.

Hệ thống lưu trữ pin có thể chuyển năng lượng từ khoảng thời gian này sang khoảng thời gian khác. Các địa điểm thương mại và công nghiệp có thể sạc pin trong thời gian giá điện thấp hơn và xả pin sau đó, trong khi việc giảm tải đỉnh điểm có thể làm giảm các khoảng thời gian ngắn nhu cầu điện lưới cao. Cả hai đều phụ thuộc vào thời điểm tải, biểu giá, công suất sạc và dung lượng khả dụng.

Hỗ trợ nguồn dự phòng và năng lượng tái tạo

Hệ thống có thể dự trữ năng lượng cho các tải trọng quan trọng khi kiến ​​trúc của nó hỗ trợ hoạt động dự phòng. Nó cũng có thể lưu trữ lượng điện năng tái tạo dư thừa và giải phóng khi sản lượng giảm hoặc nhu cầu tăng, giúp các dự án năng lượng mặt trời và gió quản lý sự chênh lệch thời gian giữa sản xuất và tiêu thụ.

Cung cấp tính linh hoạt cho lưới điện

Các hệ thống lớn hơn có thể hỗ trợ điều chỉnh công suất đỉnh, đáp ứng tần số, tích hợp năng lượng tái tạo, dự trữ khẩn cấp và các chức năng điều độ khác. Do đó, hệ thống lưu trữ pin quy mô lưới điện hoạt động như một nguồn năng lượng linh hoạt chứ không chỉ đơn thuần là một kho chứa năng lượng.

Hệ thống lưu trữ năng lượng pin được sử dụng ở đâu?

Các nguyên tắc tương tự áp dụng ở các quy mô khác nhau, nhưng kiến ​​trúc sẽ thay đổi tùy thuộc vào ứng dụng.

Kho lưu trữ dân dụng và quy mô nhỏ

Các hộ gia đình và các bất động sản nhỏ hơn thường sử dụng hệ thống lưu trữ để tự tiêu thụ điện năng từ năng lượng mặt trời, sử dụng điện theo thời gian và dự phòng. Pin cao áp dạng mô-đun có thể tiết kiệm không gian sàn và cho phép tăng dung lượng theo từng bước. Sản phẩm của Sunway danh mục ESS dân cư Bao gồm nhiều định dạng hệ thống.

Khu thương mại và công nghiệp

Các nhà máy, nhà kho, khách sạn, cơ sở làm lạnh, khu công nghiệp và trạm sạc xe điện có thể sử dụng hệ thống lưu trữ pin để giảm tải đỉnh điểm, quản lý giá điện, dự phòng, chuyển đổi năng lượng mặt trời hoặc đáp ứng nhu cầu. Công suất, thời gian, dự trữ, giới hạn máy biến áp và khả năng mở rộng trong tương lai đều có thể làm thay đổi cấu hình phù hợp.

Các dự án quy mô tiện ích và lưới điện

Hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn sử dụng các khối pin lớn hơn, hệ thống điều khiển cấp nhà máy và giao diện lưới điện. Các dự án này có thể hỗ trợ điều độ, làm mịn nguồn năng lượng tái tạo, điều tiết giờ cao điểm, dịch vụ tần số hoặc vận hành khẩn cấp.

Những lợi ích và hạn chế chính là gì?

Một dự án lưu trữ hữu ích bắt đầu từ một vấn đề vận hành rõ ràng. Công nghệ này linh hoạt, nhưng không phải là không giới hạn.

Lợi ích đến từ năng lượng có thể kiểm soát được.

Các lợi ích tiềm năng bao gồm chuyển đổi năng lượng, giảm tải đỉnh, sao lưu tải quan trọng, tích hợp năng lượng tái tạo, quản lý nhu cầu và hỗ trợ lưới điện. Hệ thống lưu trữ pin dạng mô-đun cũng có thể hỗ trợ mở rộng theo từng giai đoạn.

Các giới hạn phải được bao gồm trong thiết kế.

Dung lượng pin có hạn. Công suất sạc và xả bị giới hạn. Quá trình chuyển đổi và các tải phụ trợ tiêu thụ năng lượng. Pin dự phòng làm giảm công suất có thể cung cấp, trong khi cài đặt nhiệt độ và bảo vệ có thể ảnh hưởng đến hiệu suất khả dụng.

Giá trị dự án cũng phụ thuộc vào biểu giá, mô hình phụ tải, quy tắc lưới điện, điều kiện lắp đặt và các ưu tiên của hệ thống quản lý năng lượng (EMS). Việc tính toán quy mô cần tuân theo các yêu cầu vận hành thực tế.

Người mua nên so sánh những gì khi đánh giá một hệ thống lưu trữ?

Bản đặc tả trở nên hữu ích hơn khi mỗi thông số được liên kết với yêu cầu của dự án. Công suất định mức xác định khả năng sạc hoặc xả; dung lượng năng lượng xác định năng lượng được lưu trữ. Thành phần hóa học của pin, hệ thống quản lý pin (BMS), hệ thống quản lý năng lượng (EMS), hệ thống làm mát, hệ thống truyền thông, hệ thống bảo vệ và thiết kế mở rộng ảnh hưởng đến hoạt động, tích hợp, an toàn và tính linh hoạt.

Người mua cũng nên xác nhận điện áp lưới, chế độ dự phòng, môi trường lắp đặt và các yêu cầu tuân thủ quy định địa phương trước khi đặt hàng.

Hệ thống lưu trữ năng lượng pin tích hợp trông như thế nào trong thực tế?

Một hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) hoàn chỉnh tích hợp lưu trữ pin, chuyển đổi năng lượng hai chiều, quản lý năng lượng, kiểm soát nhiệt độ, bảo vệ an toàn và truyền thông vào một kiến ​​trúc phối hợp duy nhất. Cấu hình cụ thể sẽ thay đổi tùy thuộc vào quy mô dự án, nhưng các chức năng này vẫn cần hoạt động như một hệ thống thống nhất chứ không phải là các thiết bị riêng lẻ.

Tại SunwayChúng tôi hoạt động trong các ứng dụng lưu trữ năng lượng dân dụng, thương mại, công nghiệp và tiện ích. Điều này làm cho việc tích hợp hệ thống trở nên đặc biệt quan trọng khi các dự án vượt ra ngoài phạm vi lắp đặt pin nhỏ và yêu cầu quản lý năng lượng phối hợp, kiểm soát nhiệt độ, giám sát và bảo vệ.

Để tham khảo cho mục đích thương mại và công nghiệp, Hệ thống lưu trữ năng lượng làm mát bằng chất lỏng SUNWAY 100kW / 261kWh Thiết bị này kết hợp pin LFP 261kWh với nguồn điện AC định mức 125kW trong một tủ ngoài trời đạt chuẩn IP55. Kiến trúc tích hợp của nó bao gồm các mô-đun PCS, EMS, BMS, phân phối điện, phòng cháy chữa cháy và kiểm soát môi trường. Hệ thống làm mát bằng chất lỏng thông minh hỗ trợ quản lý nhiệt, trong khi các giao tiếp CAN, Ethernet và RS485 cung cấp các giao diện để giám sát và điều phối hệ thống.

Thiết kế tích hợp này minh họa lý do tại sao một hệ thống lưu trữ năng lượng pin cần được đánh giá không chỉ dựa trên dung lượng pin đơn thuần. Khả năng cung cấp điện, năng lượng lưu trữ, chiến lược điều khiển, làm mát, bảo vệ, truyền thông và yêu cầu của lưới điện phải hoạt động cùng nhau. Cấu hình cuối cùng vẫn cần phải phù hợp với hồ sơ phụ tải của địa điểm, thời gian mục tiêu, chế độ hoạt động, môi trường lắp đặt, điều kiện lưới điện và kế hoạch mở rộng trong tương lai.

Tương lai của công nghệ lưu trữ năng lượng pin sẽ như thế nào?

Sự phát triển trong tương lai đang hướng tới sự phối hợp tốt hơn, mở rộng linh hoạt hơn và tương tác chặt chẽ hơn với thị trường điện năng.

Hệ thống quản lý môi trường (EMS) và phần mềm sẽ đóng vai trò lớn hơn.

Hệ thống điều khiển tiên tiến có thể kết hợp dữ liệu phụ tải, biểu giá, sản lượng điện từ nguồn năng lượng tái tạo, trạng thái pin và tín hiệu lưới điện, cho phép điều độ phản ứng với các điều kiện thay đổi thay vì theo lịch trình cố định.

Hệ thống mô-đun sẽ hỗ trợ khả năng mở rộng linh hoạt.

Các loại pin dạng mô-đun và kiến ​​trúc chuyển đổi năng lượng có thể đơn giản hóa quá trình mở rộng theo từng giai đoạn. Tuy nhiên, việc mở rộng vẫn đòi hỏi các phiên bản pin tương thích, khả năng truyền thông, dung lượng điện dự phòng, cài đặt bảo vệ và không gian.

Hệ thống lưu trữ sẽ kết nối với nhiều dịch vụ lưới điện hơn.

Các nhà máy điện ảo, phản ứng theo nhu cầu, dịch vụ phụ trợ và hệ thống lưu trữ phân tán tổng hợp tạo ra thêm nhiều vai trò cho lưu trữ pin. Ở quy mô lớn hơn, lưu trữ có thể trở thành một phần của kế hoạch linh hoạt lưới điện thay vì chỉ là một tài sản dự phòng độc lập.

Biến các nguyên tắc cơ bản của hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) thành cấu hình dành riêng cho dự án.

Hiểu được chức năng của hệ thống chỉ là bước đầu tiên. Một dự án vẫn cần có nguồn điện, dung lượng năng lượng, chế độ hoạt động, dự trữ, kiến ​​trúc truyền thông và thiết kế lắp đặt phù hợp.

Hãy chia sẻ với chúng tôi hồ sơ phụ tải, thời gian dự phòng mục tiêu, điện áp lưới, cơ cấu biểu giá, công suất sạc, môi trường lắp đặt và kế hoạch mở rộng của bạn. Xem xét lại các yêu cầu của dự án lưu trữ pin của bạn. trước khi quyết định kích thước pin hoặc kiến ​​trúc hệ thống.

Câu hỏi thường gặp

Hỏi: Pin và hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) khác nhau ở điểm nào?

A: Pin lưu trữ năng lượng điện. Hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) kết hợp pin với chức năng giám sát, chuyển đổi năng lượng, quản lý năng lượng, bảo vệ, kiểm soát nhiệt độ và truyền thông để năng lượng đã lưu trữ có thể được sạc và xả theo một chiến lược vận hành nhất định.

Hỏi: Hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) có thể cung cấp điện trong bao lâu?

A: Thời gian hoạt động phụ thuộc vào dung lượng năng lượng khả dụng, công suất tải, giới hạn trạng thái sạc, dự trữ năng lượng, tổn thất chuyển đổi và cài đặt hệ thống. Công suất kWh lớn hơn có thể hỗ trợ tải trọng nhất định trong thời gian dài hơn, nhưng công suất khả dụng (tính bằng kW) cũng phải đủ.

Hỏi: Một hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) có thể hỗ trợ giảm tải điện năng tiêu thụ cao điểm, lưu trữ năng lượng tái tạo và nguồn điện dự phòng không?

A: Có, khi kiến ​​trúc hệ thống hỗ trợ các chức năng đó. Chúng chia sẻ cùng một nguồn điện pin và năng lượng dự trữ, vì vậy hệ thống quản lý năng lượng (EMS) phải xác định các mức độ ưu tiên, giới hạn dự trữ và lịch trình sạc/xả.