Trên trang này
Khi một doanh nghiệp bắt đầu tìm hiểu về lưu trữ bằng pin, một trong những câu hỏi đầu tiên thường là: Hệ thống nên có quy mô lớn đến mức nào?
Không có một câu trả lời duy nhất chỉ dựa trên diện tích tòa nhà hay hóa đơn tiền điện hàng tháng. Một nhà máy có mức tiêu thụ điện ổn định có thể cần một hệ thống pin rất khác với một nhà máy khác có cùng mức sử dụng hàng tháng nhưng trải qua các đỉnh nhu cầu ngắn và tốn kém.
Đối với hầu hết các dự án thương mại, việc định cỡ pin quy về hai câu hỏi:
- Hệ thống cần cung cấp bao nhiêu công suất tại một thời điểm?
- Cần duy trì cung cấp công suất đó trong bao lâu?
Câu hỏi đầu tiên quyết định công suất hệ thống tính bằng kW. Câu hỏi thứ hai quyết định dung lượng pin tính bằng kWh.
Một công thức khởi đầu đơn giản
Dung lượng pin cần thiết = Phụ tải × Thời gian vận hành ÷ DoD khả dụng ÷ Hiệu suất hệ thống
Công thức này đưa ra một điểm khởi đầu hữu ích, nhưng quy mô hệ thống cuối cùng cũng nên phản ánh biểu đồ phụ tải thực tế, nhu cầu phụ tải đỉnh, các phụ tải quan trọng và mức lão hóa pin dự kiến.
Bắt đầu với mục đích của pin
Trước khi thực hiện bất kỳ tính toán nào, hãy xác định mục đích chính mà pin cần đảm nhiệm.
Hệ thống được thiết kế để cắt đỉnh không được định cỡ theo cùng cách như hệ thống được thiết kế cho dự phòng khẩn cấp. Pin dùng để lưu trữ điện mặt trời ban ngày cũng có thể cần một cấu hình khác.
Cắt đỉnh
Cắt đỉnh nghĩa là sử dụng pin khi nhu cầu công suất của cơ sở tăng vượt quá một giới hạn đã chọn.
Ví dụ, một nhà máy có thể thường vận hành ở khoảng 500kW nhưng đôi khi tăng lên 750kW. Nếu mục tiêu là giữ nhu cầu lưới điện dưới 600kW, pin có thể cần cung cấp tới 150kW trong giai đoạn cao điểm.
Trong trường hợp này, các câu hỏi chính là:
- Cần giảm bao nhiêu kW?
- Thời gian cao điểm thường kéo dài bao lâu?
- Tần suất xảy ra như thế nào?
Điện dự phòng
Đối với nguồn điện dự phòng, việc tính toán bắt đầu từ các thiết bị phải tiếp tục hoạt động khi lưới điện mất điện.
Điều này không phải lúc nào cũng có nghĩa là phải hỗ trợ toàn bộ cơ sở. Trong nhiều dự án, pin chỉ cần cấp điện cho một số phụ tải quan trọng được chọn lọc như:
- Hệ thống điều khiển sản xuất
- Chiếu sáng và thông tin liên lạc
- Thiết bị làm lạnh
- Máy bơm nước
- Hệ thống an ninh
- Một số máy sản xuất được lựa chọn
Việc tách các phụ tải quan trọng khỏi các phụ tải không thiết yếu thường giúp dự án thực tế và tiết kiệm hơn nhiều.
Lưu trữ năng lượng mặt trời
Trong dự án điện mặt trời kết hợp lưu trữ, pin có thể sạc khi sản lượng điện mặt trời cao hơn phụ tải của cơ sở và xả điện muộn hơn trong ngày.
Loại dự án này cần dữ liệu sản lượng điện mặt trời và mức tiêu thụ điện theo từng giờ. Tổng số liệu theo tháng là không đủ vì chúng không cho thấy năng lượng được sản xuất hoặc sử dụng khi nào.
Đối với các dự án chủ yếu tập trung vào việc khớp dung lượng pin với sản lượng quang điện, hãy xem hướng dẫn định cỡ hệ thống lưu trữ pin mặt trời.
kW và kWh không phải là cùng một thứ
Đây là một trong những điểm quan trọng nhất trong việc định cỡ pin thương mại.
kW cho biết hệ thống có thể cung cấp bao nhiêu công suất
Công suất định mức của BESS được đo bằng kW. Nó cho biết hệ thống có thể sạc hoặc xả bao nhiêu công suất tại một thời điểm.
Trong hầu hết hệ thống thương mại, công suất này chủ yếu được quyết định bởi PCS, hay hệ thống chuyển đổi công suất.
Một 100kW PCS thường có thể cung cấp khoảng 100kW công suất liên tục trong điều kiện định mức. Ngay cả khi được kết nối với pin 500kWh, hệ thống vẫn không thể liên tục hỗ trợ phụ tải 150kW trừ khi hệ thống có đủ dung lượng PCS.
kWh cho biết pin có thể chạy trong bao lâu
Dung lượng pin được đo bằng kWh.
Một cách đơn giản để hiểu mối quan hệ là:
- Pin 100kWh hỗ trợ tải 50kW có thời gian chạy lý thuyết là hai giờ.
- Pin 200kWh hỗ trợ tải 50kW có thời gian chạy lý thuyết là bốn giờ.
- Pin 500kWh hỗ trợ tải 250kW có thời gian chạy lý thuyết là hai giờ.
Đây là các giá trị lý thuyết. Thời gian chạy thực tế sẽ thấp hơn vì một phần dung lượng pin thường được dự trữ, và năng lượng cũng bị hao hụt trong quá trình sạc và xả.
kW cho bạn biết BESS có thể mang tải bao nhiêu.
kWh cho bạn biết nó có thể mang tải đó trong bao lâu.
Sử dụng dữ liệu tải thực tế bất cứ khi nào có thể
Hóa đơn tiền điện hàng tháng rất hữu ích, nhưng chúng hiếm khi cung cấp đủ chi tiết để định cỡ BESS một cách chính xác.
Thông tin hữu ích nhất thường là biểu đồ phụ tải 15-minute hoặc 30-minute. Biểu đồ này cho thấy nhu cầu công suất thay đổi như thế nào trong ngày.
Khi xem xét dữ liệu tải, hãy chú ý đến:
- Nhu cầu tối đa
- Tải vận hành trung bình
- Mức tiêu thụ điện hằng ngày
- Thời điểm nhu cầu đạt đỉnh
- Độ dài của giai đoạn đỉnh
- Chênh lệch giữa ngày làm việc và cuối tuần
- Thay đổi theo mùa
- Tải quan trọng trong thời gian mất điện
Hãy xem xét hai nhà máy, mỗi nhà máy sử dụng 300,000kWh mỗi tháng.
Một nhà máy có thể vận hành với tải ổn định suốt cả ngày. Nhà máy kia có thể có mức đỉnh tăng vọt kéo dài hai giờ do một số dây chuyền sản xuất khởi động cùng lúc. Mặc dù mức tiêu thụ hàng tháng của chúng tương tự nhau, yêu cầu về pin của chúng sẽ rất khác nhau.
Cách tính công suất PCS cần thiết
PCS phải đủ lớn để đáp ứng công suất tối đa dự kiến từ pin.
Dành cho Điện Dự phòng
Cộng gộp các phụ tải quan trọng có thể hoạt động đồng thời.
Giả sử phụ tải quan trọng là 80kW. Thêm biên dự phòng 20% sẽ cho:
80kW × 1.2 = 96kW
Một 100kW PCS có thể là lựa chọn hợp lý.
Biên dự phòng bổ sung có thể giúp bù đắp các thay đổi phụ tải tạm thời, việc bổ sung thiết bị trong tương lai và dòng khởi động của động cơ hoặc máy nén.
Đối với Cắt Giảm Đỉnh
Công suất PCS nói chung nên khớp với lượng công suất lớn nhất cần được cắt giảm khỏi đỉnh lưới điện.
Ví dụ:
- Nhu cầu tối đa của cơ sở: 800kW
- Nhu cầu lưới điện mục tiêu: 600kW
- Mức giảm cần thiết: 200kW
BESS nên có khả năng cung cấp khoảng 200kW trong khoảng thời gian cao điểm.
Trong thực tế, định mức PCS cuối cùng có thể cao hơn một chút để dự phòng biên vận hành.
Cách Tính Dung Lượng Pin
Sau khi đã biết công suất cần thiết, bước tiếp theo là tính toán lượng năng lượng mà pin phải lưu trữ.
Dung lượng pin = Phụ tải × Thời gian vận hành ÷ DoD ÷ Hiệu suất hệ thống
Trong công thức này:
- Phụ tải là công suất đầu ra yêu cầu của pin tính bằng kW.
- Thời gian vận hành là thời lượng yêu cầu tính bằng giờ.
- DoD là độ sâu xả khả dụng.
- Hiệu suất hệ thống tính đến năng lượng bị mất trong pin và PCS.
Ví dụ về nguồn điện dự phòng
Một nhà máy muốn đáp ứng phụ tải quan trọng 100kW trong hai giờ.
- Phụ tải quan trọng: 100kW
- Thời gian dự phòng: 2 giờ
- DoD khả dụng: 90%
- Hiệu suất hệ thống: 92%
Cách tính là:
100kW × 2 ÷ 0.90 ÷ 0.92 = 241.5kWh
Một hệ thống tiêu chuẩn khoảng 250kWh hoặc 261kWh có thể phù hợp, tùy thuộc vào cấu hình sẵn có và dự trữ yêu cầu.
Nếu cùng phụ tải đó cần bốn giờ dự phòng:
100kW × 4 ÷ 0.90 ÷ 0.92 = 483.1kWh
Trong trường hợp này, có thể xem xét một hệ thống khoảng 500kWh.
Ví dụ tính toán cắt đỉnh
Đối với cắt đỉnh, dung lượng pin phụ thuộc vào cả mục tiêu giảm tải và thời lượng của đỉnh.
Giả sử một nhà máy muốn giảm nhu cầu điện lưới đi 200kW trong hai giờ.
Nhu cầu năng lượng lý thuyết là:
200kW × 2 giờ = 400kWh
Sau khi tính đến 90% DoD và 92% hiệu suất hệ thống:
400kWh ÷ 0.90 ÷ 0.92 = 483.1kWh
Một cấu hình khả thi có thể là:
- Công suất khoảng 200kW PCS
- Dung lượng pin khoảng 500kWh
Tuy nhiên, đường cong phụ tải thực tế có thể cho thấy pin không cần cung cấp toàn bộ 200kW trong suốt hai giờ. Trong trường hợp đó, dung lượng pin cuối cùng có thể thấp hơn.
Đây là lý do dữ liệu phụ tải theo khoảng thời gian hữu ích hơn nhiều so với việc chỉ nhân nhu cầu cao nhất với số giờ.
Để hiểu mục đích tài chính của ứng dụng này, hãy đọc thêm về cách hệ thống lưu trữ pin có thể giảm phí công suất đỉnh.
Không sử dụng toàn bộ công suất danh định
Một pin có định mức 500kWh thường không cung cấp đầy đủ 500kWh cho phụ tải.
Cần xem xét ba yếu tố.
Độ xả sâu
Độ sâu xả cho biết bao nhiêu dung lượng danh định của pin có thể sử dụng cho nhu cầu thông thường.
Ở 90% DoD, một pin 500kWh cung cấp khoảng 450kWh trước khi tính các tổn thất khác.
Tổn thất hệ thống
Một phần năng lượng bị tổn thất qua PCS, pin, máy biến áp, cáp và thiết bị phụ trợ.
Hệ thống làm mát, thiết bị điều khiển và hệ thống phòng cháy chữa cháy cũng có thể tiêu thụ một lượng nhỏ công suất.
Lão hóa pin
Dung lượng pin giảm dần theo thời gian.
Nếu một dự án vẫn phải đáp ứng một thời gian dự phòng nhất định sau vài năm, kích thước pin ban đầu có thể cần lớn hơn yêu cầu của năm đầu tiên.
Ví dụ: nếu dự án cần 500kWh vào cuối thời gian vận hành dự kiến và dung lượng còn lại dự kiến là 80%:
500kWh ÷ 0.80 = 625kWh
Điều này không có nghĩa là mọi dự án đều phải được thiết kế dư công suất cùng một mức. Dự phòng nên dựa trên bảo hành pin, số chu kỳ dự kiến và điều kiện vận hành.
Các lỗi thường gặp khi định cỡ BESS thương mại
Chỉ nhìn vào lượng điện sử dụng hàng tháng
Mức tiêu thụ hàng tháng không cho thấy các đỉnh nhu cầu xảy ra khi nào hoặc kéo dài bao lâu.
Chọn dung lượng pin mà không kiểm tra công suất PCS
Pin lớn không thể cung cấp cho tải lớn nếu PCS quá nhỏ.
Coi dung lượng danh định là dung lượng khả dụng
DoD, tổn thất hiệu suất và cài đặt dự phòng đều làm giảm lượng năng lượng khả dụng cho phụ tải.
Cố gắng dự phòng mọi phụ tải
Hỗ trợ toàn bộ cơ sở có thể khiến hệ thống lớn hơn nhiều so với mức cần thiết. Thường tốt hơn là xác định thiết bị thực sự cần nguồn điện liên tục.
Bỏ qua công suất khởi động của động cơ
Máy bơm, máy nén và động cơ công nghiệp có thể tiêu thụ công suất lớn hơn nhiều khi khởi động so với khi vận hành bình thường.
Chọn hệ thống lớn nhất có thể
Pin lớn hơn không tự động là khoản đầu tư tốt hơn. Nếu pin hiếm khi được sử dụng hết, phần dung lượng dư thừa có thể chỉ làm tăng chi phí dự án.
Cần chuẩn bị những thông tin nào trước khi tính toán kích thước BESS?
Nhà cung cấp thường có thể đưa ra khuyến nghị chính xác hơn khi có các thông tin sau:
- Vị trí dự án
- Điện áp và tần số lưới điện
- Hóa đơn tiền điện gần đây
- Dữ liệu phụ tải 15-minute hoặc 30-minute
- Nhu cầu tối đa
- Phụ tải quan trọng
- Thời gian dự phòng cần thiết
- Công suất điện mặt trời hiện có hoặc dự kiến
- Công suất máy biến áp
- Không gian lắp đặt khả dụng
- Mục đích chính của hệ thống pin
Ngay cả khi không có đầy đủ dữ liệu, những thông tin quan trọng nhất là phụ tải tối đa, phụ tải quan trọng, thời gian vận hành dự kiến và mục tiêu dự án.
Câu hỏi thường gặp
Cần pin dung lượng bao nhiêu cho phụ tải 100kW?
Đối với hai giờ dự phòng, phụ tải 100kW có thể cần khoảng 240kWh hoặc hơn sau khi tính đến DoD và hiệu suất hệ thống. Đối với bốn giờ, yêu cầu có thể vào khoảng 480kWh hoặc hơn.
Một 100kW PCS có cần pin 100kWh không?
Không nhất thiết. Một 100kW PCS với pin 100kWh gần như là hệ thống một giờ. Cùng một PCS cũng có thể được ghép với 200kWh, 400kWh hoặc hơn, tùy thuộc vào thời gian vận hành yêu cầu và tốc độ xả của pin.
Một nhà máy cần bao nhiêu dung lượng lưu trữ bằng pin?
Điều đó phụ thuộc vào mục đích sử dụng pin. Một dự án cắt đỉnh nhỏ có thể chỉ cần vài trăm kWh, trong khi dự phòng công nghiệp thời gian dài có thể cần vài MWh.
Cùng một BESS có thể cung cấp cả dự phòng và cắt đỉnh không?
Có, nhưng chiến lược vận hành phải dự phòng đủ dung lượng pin cho mục đích sao lưu. Nếu pin bị xả quá nhiều để cắt đỉnh, có thể không còn đủ năng lượng khi xảy ra mất điện.
Có nên lắp thêm dung lượng pin không?
Dự phòng hợp lý có thể hữu ích cho việc lão hóa pin và nhu cầu phụ tải tăng trong tương lai. Tuy nhiên, thêm dung lượng mà không có nhu cầu vận hành rõ ràng có thể làm hệ thống đắt hơn và giảm hiệu quả tài chính.
Lựa chọn quy mô hệ thống thực tế
Một thiết kế BESS hữu ích không bắt đầu từ mẫu sản phẩm. Nó bắt đầu từ mức sử dụng điện thực tế của cơ sở.
Trước tiên, xác định nhiệm vụ mà pin cần thực hiện. Sau đó tính toán công suất cần thiết, thời gian vận hành và dung lượng pin khả dụng. Tiếp theo, có thể đưa các yếu tố kỹ thuật như DoD, hiệu suất, công suất khởi động động cơ và sự lão hóa của pin vào tính toán.
Đối với một dự án sao lưu đơn giản, việc tính toán có thể khá đơn giản. Đối với cắt đỉnh hoặc quản lý năng lượng mặt trời, đường cong phụ tải thường là thông tin quan trọng nhất.
Mục tiêu không phải là chọn pin lớn nhất. Mà là chọn một hệ thống có thể đáp ứng nhiệm vụ yêu cầu mà không để một lượng lớn dung lượng đắt tiền bị bỏ trống.
Bạn cũng có thể tìm hiểu hệ thống lưu trữ năng lượng thương mại và công nghiệp để so sánh các cấu hình BESS dạng tủ và dạng container khác nhau.
