Hướng dẫn kỹ thuật lưu trữ năng lượng thế hệ mới cho BESS tiện ích & C&I trong năng lượng mặt trời

Chuyển đổi toàn cầu sang năng lượng tái tạo có tỷ lệ thâm nhập cao đã làm lộ ra những hạn chế trong hoạt động của các hệ thống phát điện quang điện (PV) độc lập. Các hồ sơ phát điện mặt trời tự nhiên tách rời khỏi các hồ sơ tải khu vực, tạo ra những mất cân bằng hệ thống lưới đặc trưng bởi sự phát điện quá mức vào giữa ngày và sự gia tăng tải ròng vào buổi tối. Trong bối cảnh này, việc tích hợp bess vào năng lượng mặt trời đã chuyển từ một tiện ích tăng cường lợi nhuận thành một yêu cầu kỹ thuật cơ bản. Các dự án quy mô tiện ích và thương mại hiện đại đòi hỏi công suất có thể điều khiển, có thể phân phối và bền bỉ, có thể chịu đựng các tiêu chuẩn kết nối mạnh mẽ trong khi tối đa hóa doanh thu tài sản trong suốt thời gian hoạt động kéo dài nhiều thập kỷ.

Các hệ thống lưu trữ năng lượng pin hiện đại kết hợp với các tấm năng lượng mặt trời giảm thiểu những hạn chế vật lý của việc phát điện không liên tục. Bằng cách chuyển đổi năng lượng mặt trời không đồng bộ, không liên tục thành các khối năng lượng có thể phân phối và điều chỉnh, những tài sản hybrid này đáp ứng các tiêu chí hoạt động phức tạp: giảm thiểu chi phí nâng cấp kết nối cao, nắm bắt chênh lệch giá năng lượng tiêu cực và cung cấp quán tính tổng hợp cho các mạng lưới lưới điện đang yếu đi. Để đạt được những mục tiêu hoạt động này, cần có một đánh giá toàn diện về các cấu trúc điện, hồ sơ điện hóa, cấu hình cân bằng nhà máy (BoP) và lịch trình tăng cường tài sản dài hạn.

Các nút thắt kết nối lưới và cơ chế cắt giảm

Công suất phát điện quang điện thường vượt quá công suất phân phối và truyền tải địa phương. Các công ty tiện ích ngày càng áp dụng các hạn chế xuất khẩu động hoặc lên lịch các khoảng thời gian cắt giảm mạnh mẽ để ngăn chặn quá tải nhiệt của các đường dây truyền tải và các biến động điện áp không kiểm soát. Những giới hạn hoạt động này làm suy yếu các mô hình pro forma cơ bản của các tài sản năng lượng mặt trời độc lập bằng cách làm cho các kilowatt-giờ được sản xuất bị mắc kẹt sau điểm kết nối chung (PCC).

Cắt giảm chủ yếu thể hiện qua hai chế độ hoạt động: cắt giảm kinh tế, nơi mà giá clearing bán buôn giảm xuống giá trị âm do cung vượt cầu khu vực, và cắt giảm vật lý, nơi mà các nhà điều hành hệ thống ra lệnh cắt giảm công suất đầu ra để duy trì xếp hạng nhiệt của đường dây truyền tải. Lưu trữ năng lượng khắc phục cả hai thách thức này. Khi đường cong phát điện vượt qua các giới hạn xuất khẩu, dòng điện một chiều (DC) hoặc dòng điện xoay chiều (AC) dư thừa được chuyển hướng vào các tế bào lưu trữ năng lượng thay vì bị hạn chế bởi việc theo dõi điểm công suất của bộ biến tần (MPPT).

Tích hợp lưu trữ năng lượng quy mô tiện ích cũng tránh được những hạn chế đắt đỏ của hàng đợi kết nối lưới. Các nhà phát triển tài sản có thể làm lớn hơn trường phát điện PV so với công suất danh nghĩa của điểm kết nối (POI) - một khái niệm thiết kế được gọi là tỷ lệ công suất DC-to-AC cao (thường là 1.5:1 đến 2.0:1) - và chuyển hướng lượng phát điện bị cắt giảm trực tiếp vào hệ thống pin. Kiến trúc này tối ưu hóa hệ số sử dụng tài sản POI, biến các tài sản năng lượng mặt trời có hệ số công suất thấp thành các nhà máy điện hybrid có hệ số công suất cao có khả năng cung cấp các khối phát điện chắc chắn trong các khoảng thời gian giá cước cao điểm.

Các cấu trúc hệ thống: Cấu hình ghép AC so với cấu hình ghép DC

Việc chọn kiến trúc chuyển đổi năng lượng tối ưu quyết định hiệu suất trở về vòng đời (RTE), hồ sơ chi phí vốn và độ phức tạp điều khiển của tài sản. Khi đánh giá việc triển khai bess trong năng lượng mặt trời, cần cân nhắc giữa tổn thất chuyển đổi năng lượng và tính linh hoạt phân phối hoạt động trong suốt vòng đời dự án.

Các Kiến Trúc Kết Nối DC

Trong một cấu hình kết nối DC, dãy PV và hệ thống pin chia sẻ một bus dòng điện một chiều chung trước khi đảo ngược năng lượng ở mức lưới. Các ngân hàng pin kết nối với bus DC thông qua các bộ chuyển đổi DC-DC hai chiều, điều chỉnh điện áp biến đổi của gói pin với điện áp bus DC dao động do bộ biến tần năng lượng mặt trời trung tâm điều khiển.

• Tăng Hiệu Suất: Năng lượng chảy từ các dãy năng lượng mặt trời trực tiếp vào pin chỉ trải qua một giai đoạn chuyển đổi năng lượng thông qua bộ chuyển đổi DC-DC buck/boost. Cấu hình này loại bỏ hai giai đoạn chuyển đổi (DC sang AC và sau đó AC sang DC), mang lại cải thiện từ 2% đến 4% về hiệu suất sạc so với các thiết kế kết nối AC.
• Khôi Phục Năng Lượng Bị Cắt: Bởi vì pin liên kết trực tiếp với bus DC phía trên bộ biến tần PV trung tâm, năng lượng được tạo ra vượt quá công suất tối đa của bộ biến tần AC được thu lại thay vì bị mất thông qua việc dịch chuyển đường cong MPPT.
• Tiết Kiệm Cân Bằng Hệ Thống: Tập hợp chuyển đổi năng lượng PV và lưu trữ vào một bộ biến tần hai chiều trung tâm chung giảm thiểu diện tích của các máy biến áp tăng áp trung áp, các thiết bị chuyển mạch, và các đường hầm xuyên qua trường dãy.

Các Kiến Trúc Kết Nối AC

Các hệ thống kết nối AC tách biệt việc phát điện PV và hệ thống lưu trữ pin ra các đường chuyển đổi năng lượng riêng biệt, chuyên dụng. Dãy PV hoạt động với các bộ biến tần PV kết nối lưới tiêu chuẩn, trong khi hệ thống lưu trữ pin kết nối thông qua một bộ biến tần lưu trữ hai chiều chuyên dụng (Hệ Thống Chuyển Đổi Năng Lượng, hoặc PCS). Cả hai hệ thống đồng bộ tại một bus thu thập AC chung trước khi tăng lên các điện áp truyền tải.

• Hoạt Động Độc Lập và Dự Phòng: Việc tách biệt vật lý và điện của hệ thống PV khỏi hệ thống pin đảm bảo rằng sự cố bộ biến tần trên mạch lưu trữ không cản trở việc xuất khẩu năng lượng mặt trời. Mỗi tài sản thực hiện các lệnh động độc lập.
• Độ Linh Hoạt Cải Tiến: Kết nối AC đại diện cho phương pháp kỹ thuật tiêu chuẩn để tích hợp các tài sản lưu trữ vào các nhà máy năng lượng mặt trời đang hoạt động trước đó. Nó tránh làm gián đoạn việc đi dây của dãy PV đã được chứng nhận trước, điện tử năng lượng cấp mô-đun, hoặc bảo hành bộ biến tần trung tâm.
• Lựa Chọn Thành Phần Không Phụ Thuộc Nhà Cung Cấp: Các chủ sở hữu tài sản có thể tối ưu hóa các thành phần PV và pin một cách độc lập, tích hợp các hóa chất pin và các nền tảng PCS được thiết kế đặc biệt phù hợp với yêu cầu kết nối lưới mà không bị ràng buộc bởi các giới hạn điện áp DC hoạt động của bộ biến tần năng lượng mặt trời.

Các Cân Nhắc Điện Hóa và Nhiệt Trong Thiết Kế Hệ Thống

Hiệu suất điện hóa của môi trường lưu trữ thiết lập cơ sở kinh tế của nhà máy năng lượng hybrid. Lithium iron phosphate (LiFePO4 hoặc LFP) đã nổi lên như là hóa chất quyết định cho lưu trữ năng lượng mặt trời tĩnh, thay thế các công thức nickel manganese cobalt (NMC) trong các không gian tiện ích và thương mại. Hóa chất LFP cho thấy sự ổn định cấu trúc trong quá trình chu kỳ kéo dài, hồ sơ ổn định nhiệt vượt trội, không phụ thuộc vào nguyên liệu thô bị hạn chế, và khả năng kháng lại sự suy giảm ở cấp tế bào dưới các kịch bản xả sâu.

Các nhà tích hợp công nghệ tiên phong, chẳng hạn như CNTE (Công ty TNHH Công nghệ Năng lượng Tinh vân Đương đại), thiết kế các nền tảng toàn cảnh ưu tiên sự đồng nhất nhiệt độ nghiêm ngặt trên các kiến trúc LFP được đóng gói. Sự suy giảm hệ thống là phi tuyến tính; các túi nhiệt cục bộ trong một giá có thể tăng tốc độ giảm dung lượng ở các nhóm tế bào cụ thể, làm tăng sự mất cân bằng của gói và kết thúc sớm các chu kỳ sạc toàn bộ chuỗi. Các kiến trúc làm mát bằng chất lỏng có dung lượng cao duy trì sự biến thiên nhiệt độ giữa các tế bào trong khoảng 2 đến 3 độ Celsius, vượt trội hơn nhiều so với các phương pháp thông gió bằng không khí cưỡng bức truyền thống trong các hồ sơ xả mạnh dưới tải trọng mặt trời trực tiếp.

Thiết kế cho độ bền yêu cầu giám sát liên tục các biến trạng thái điện hóa. Sự cân bằng giữa Độ sâu xả (DoD), nhiệt độ hoạt động môi trường, và hồ sơ C-rate trực tiếp điều chỉnh Chi phí lưu trữ bình quân (LCOS):

• Giao thức chu kỳ: Xả các tế bào qua 80% đến 90% DoD hàng ngày liên tục làm tăng tốc độ phát triển lớp giao diện điện phân rắn (SEI), giảm tuổi thọ lịch và chu kỳ. Phần mềm quản lý năng lượng động ngăn chặn các điều kiện xả sâu bằng cách hiệu chỉnh trần hoạt động của trạng thái sạc (SoC).
• Khớp C-Rate: Các ứng dụng năng lượng mặt trời hiếm khi yêu cầu các đợt C-rate cao vượt quá 1C, trừ khi được chỉ định cho phản ứng tần số nhanh. Thay vào đó, các kiến trúc tối ưu cho các khoảng thời gian từ hai đến bốn giờ (0.25C đến 0.5C) ưu tiên thông lượng năng lượng và ổn định nhiệt hơn là mật độ công suất tạm thời.
• Tỷ lệ tiêu thụ phụ trợ: Các hệ thống làm mát chủ động tạo ra tải phụ trợ kéo từ tổng sản lượng năng lượng mặt trời. Các thiết kế vòng nhiệt hiệu suất cao tối thiểu hóa tổn thất phụ trợ, bảo tồn hiệu suất vòng đi-về của hệ thống trong các phạm vi hoạt động rộng lớn.

Xếp chồng giá trị thương mại và công nghiệp phía sau đồng hồ

Trong các môi trường thương mại và công nghiệp (C&I), các hồ sơ sản xuất năng lượng mặt trời hiếm khi hoàn toàn khớp với các hồ sơ tải nặng của cơ sở. Các trung tâm sản xuất, trung tâm dữ liệu doanh nghiệp và các cơ sở logistics hoạt động dưới các biểu phí tiện ích đa phần phức tạp chứa nhiều khoản phí đỉnh đáng kể, các điều khoản răng và các bậc giá theo thời gian thực. Do đó, các nhà điều hành cơ sở thương mại xem bess trong năng lượng mặt trời như một hàng rào không thể thiếu chống lại chi phí hoạt động tích lũy.

Xếp chồng giá trị trong các lắp đặt phía sau đồng hồ tận dụng các hệ thống điều khiển thuật toán để khai thác nhiều dòng doanh thu hoặc tránh chi phí đồng thời từ một tài sản pin duy nhất:

• Quản lý chi phí nhu cầu: Các biểu phí tiện ích phạt các cơ sở vì những đợt tăng công suất ngắn hạn, thiết lập mức giá hóa đơn dựa trên nhu cầu điện năng cao nhất trong 15 phút được ghi nhận trong một chu kỳ hàng tháng. Hệ thống lưu trữ năng lượng hoạt động như một bộ giảm chấn điện tử, xả ngay lập tức trong các đợt tải của cơ sở để giảm thiểu nhu cầu được đo bởi đồng hồ doanh thu.
• Chênh lệch năng lượng theo thời gian sử dụng (TOU): Bằng cách thu thập năng lượng mặt trời sản xuất trong các giờ sáng và giữa trưa không cao điểm và xả năng lượng đã lưu trữ này trong các khoảng thời gian cao điểm buổi tối có chi phí cao, hệ thống tối ưu hóa hóa đơn tiện ích năng lượng tổng thể mà không làm gián đoạn sản lượng của cơ sở.
• Khả năng phục hồi và cô lập: Trong các kịch bản mất lưới, các công tắc chuyển đổi tĩnh hoạt động nhanh cô lập cơ sở thành một microgrid. Cài đặt kết hợp thiết lập một tham chiếu điện áp và tần số địa phương, giữ cho các hoạt động quan trọng hoạt động thông qua việc tạo ra năng lượng mặt trời và pin sạch, tự duy trì.

Hỗ trợ lưới quy mô tiện ích và Tối ưu hóa doanh thu

Tại cấp độ truyền tải và phụ truyền tải, các tài sản kết hợp vượt qua cân bằng năng lượng đơn giản và hoạt động như các tài sản ổn định lưới động. Các nhà điều hành hệ thống độc lập hiện đại (ISOs) vận hành các thị trường cạnh tranh cho công suất, dự trữ năng lượng và động lực tần số hoạt động nhanh. Các hệ thống bess quy mô tiện ích trong các tài sản năng lượng mặt trời tận dụng các điều khiển biến tần ở mức mili giây để tham gia vào các thị trường dịch vụ phụ tạo ra doanh thu này.

Các nhà điều hành lưới thực thi các giới hạn tốc độ tăng mà yêu cầu bess trong năng lượng mặt trời ổn định các đợt giảm sản lượng tạm thời do bóng mây trên các khu vực tiện ích lớn. Tốc độ tăng không được kiểm soát của năng lượng mặt trời có thể vượt quá vài megawatt mỗi giây, buộc các nhà điều hành truyền tải phải sử dụng các tài sản dự trữ quay không hiệu quả. Pin được đặt cùng vị trí sẽ tiêm hoặc hấp thụ năng lượng một cách động ở mức dưới giây để làm mượt đường cong sản lượng của nhà máy, trình bày cơ sở kết hợp với nhà điều hành lưới như một trạm phát điện rất ổn định và có thể dự đoán.

Điện tử công suất tiên tiến cho phép các biến tần tạo lưới (GFM) tạo ra quán tính tổng hợp, chủ động chống lại những thay đổi nhanh chóng trong tần số hệ thống mà không dựa vào một dạng sóng điện áp lưới đã tồn tại. Các hệ thống được thiết kế bởi CNTE (Công ty TNHH Công nghệ Năng lượng Tinh vân Đương đại) sử dụng BMS đa tầng tiên tiến kết hợp với các thuật toán điều khiển chuyên biệt để cung cấp khả năng phát điện đồng bộ ảo, tăng cường độ cứng lưới địa phương trong các khu vực bị chi phối bởi sản xuất dựa trên biến tần.

An toàn nhiệt và Kiểm soát kỹ thuật hệ thống

Vận hành an toàn đại diện cho một chỉ số kỹ thuật quan trọng trong các triển khai lưu trữ năng lượng mật độ cao. Các sự kiện chạy nhiệt bắt nguồn từ cấp độ tế bào nội bộ do các khiếm khuyết trong sản xuất, xâm nhập cơ học, quá tải điện, hoặc sự cố của các mạch làm mát địa phương. Ngăn ngừa các sự cố chuỗi yêu cầu một cách tiếp cận thiết kế an toàn theo chiều sâu tuân thủ các tiêu chuẩn như UL 9540, UL 9540A, và NFPA 855.

Ranh giới đầu tiên của việc chứa là Hệ thống Quản lý Pin (BMS). BMS thực hiện việc thu thập dữ liệu liên tục về điện áp, dòng điện, trở kháng và nhiệt độ đa điểm ở cấp độ tế bào. Những biến động nhanh chóng trong trở kháng tế bào nội bộ hoặc giảm điện áp vi mô phục vụ như những chỉ số hàng đầu của các ngắn mạch nội bộ, khiến BMS cô lập các chuỗi thông qua các công tắc DC tốc độ cao trước khi ngưỡng phá vỡ nhiệt được đạt đến.

Tại các cấp độ gói cấu trúc và container, việc chứa lửa yêu cầu các kiểm soát kỹ thuật thụ động và chủ động:

• Rào cản tế bào thụ động: Cách nhiệt aerogel và các rào cản nhiệt gốm cách ly các tế bào liền kề, đảm bảo rằng một sự kiện nhiệt cách ly trong một tế bào bị lỗi không thể làm nóng các tế bào lân cận vượt quá nhiệt độ phân hủy quan trọng.
• Cơ chế phát hiện khí thải: Trước khi có khói hoặc ngọn lửa xuất hiện, các tế bào lithium đang suy giảm thải ra các khí dễ cháy (bao gồm carbon monoxide, hydro và hydrocarbon dễ bay hơi). Các cảm biến phát hiện đa khí chuyên dụng phát hiện nồng độ dấu vết trong vòng vài giây, kích hoạt các giao thức ngừng hoạt động tự động và thông gió các bầu không khí bên trong trước khi các ngưỡng nổ tích tụ.
• Quản lý sự nổ: Các vỏ bọc bao gồm các tấm giảm áp cấu trúc được thiết kế để dẫn hướng sự mở rộng nổ lên trên và ra xa nhân viên dịch vụ, các khu vực thiết bị chuyển mạch, và các mô-đun pin lân cận.
  

Các câu hỏi thường gặp

Mức độ hiệu suất vòng điển hình trong hệ thống DC-coupled so với hệ thống AC-coupled là gì?

Các hệ thống DC-coupled thường đạt được hiệu suất vòng hệ thống giữa 88% và 92% khi dẫn năng lượng trực tiếp từ mảng PV vào pin, vì nó chỉ đi qua một bộ chuyển đổi DC-DC. Các hệ thống AC-coupled hoạt động giữa 84% và 88% do các tổn thất hoạt động tích lũy của việc chuyển đổi DC PV thành AC, chạy qua biến áp tăng áp, và sau đó chuyển đổi AC trở lại DC để sạc pin qua PCS pin.

Cách kích thước dự án khác nhau cho bess trong năng lượng mặt trời giữa quy mô tiện ích và thương mại là gì?

Các dự án quy mô tiện ích kích thước lưu trữ năng lượng chủ yếu dựa trên yêu cầu công suất thời gian được xác định bởi các thỏa thuận mua bán, thường yêu cầu các hệ thống từ hai đến bốn giờ (ví dụ: 100 MW / 400 MWh) tối ưu hóa cho việc phân phối điện bán buôn và củng cố công suất. Các dự án thương mại kích thước hệ thống dựa trên hồ sơ tải của cơ sở và kiến trúc biểu giá tiện ích, thường định hình trên các hệ thống từ một đến hai giờ (ví dụ: 500 kW / 1000 kWh) được thiết kế đặc biệt cho việc giảm thiểu đỉnh phí nhu cầu.

Tỷ lệ suy giảm nào nên được mô hình hóa trong suốt thời gian dự án tiêu chuẩn 20 năm?

Các tế bào LFP chất lượng cao trải qua quá trình lão hóa theo lịch cùng với suy giảm công suất do chu kỳ gây ra. Dưới các điều kiện hoạt động định mức (25°C, 1 chu kỳ mỗi ngày, 80% DoD), mong đợi một sự giảm công suất ban đầu khoảng 2% đến 3% trong năm đầu tiên, ổn định khoảng 1% đến 1.5% suy giảm tuyến tính hàng năm sau đó. Nhiều nhà phát triển dự án thiết kế các hệ thống xung quanh một lịch trình tăng cường 10 năm, trong đó các kệ pin bổ sung được lắp đặt lại để phục hồi công suất suy giảm về các ngưỡng hợp đồng ban đầu.

Có thể một hệ thống năng lượng mặt trời kết hợp lưu trữ tiếp tục sản xuất điện trong suốt một sự cố mất điện hoàn toàn không?

Một hệ thống có thể duy trì hoạt động chỉ khi được trang bị các thiết bị chuyển mạch đảo ngược chuyên dụng và các bộ biến tần tạo lưới. Các bộ biến tần theo lưới tiêu chuẩn ngay lập tức ngắt kết nối khi mất điện lưới để ngăn chặn các điều kiện đảo ngược có thể gây nguy hiểm cho các đội ngũ dịch vụ tiện ích. Các bộ biến tần tạo lưới, khi được cách ly điện bằng một bộ điều khiển microgrid chuyên dụng, tái thiết lập một tham chiếu điện áp và tần số địa phương, cho phép các mảng năng lượng mặt trời địa phương tiếp tục hoạt động và phục vụ các tải cách ly một cách an toàn.

Nhiệt độ môi trường cực đoan ảnh hưởng như thế nào đến hoạt động của hệ thống lưu trữ?

Các điều kiện dưới không có độ 0 cản trở động lực học intercalation lithium-ion trong anode, làm tăng điện trở nội bộ và có thể gây ra sự lắng đọng lithium nếu sạc mạnh khi lạnh. Ngược lại, nhiệt độ môi trường cao kéo dài tăng tốc độ phát triển SEI, làm tăng sự suy giảm dung lượng không thể đảo ngược. Các vòng làm mát chất lỏng tiên tiến với hệ thống bơm nhiệt tích hợp tuần hoàn chất lỏng đã được điều chỉnh trong toàn bộ các vỏ, duy trì nhiệt độ hoạt động của tế bào trong các dải hoạt động hẹp bất kể các đỉnh môi trường bên ngoài.

Kỹ thuật Dự án và Kích thước Hệ thống Động

Mỗi triển khai năng lượng mặt trời cộng với lưu trữ đều có các biến số hoạt động độc đáo do các hồ sơ bức xạ địa không gian, các điều kiện môi trường cực đoan, quy tắc kết nối tiện ích động, và các thị trường năng lượng bán buôn địa phương. Xác định tỷ lệ công suất-đến-năng lượng tối ưu, kiến trúc hệ thống cân bằng, và bố trí hóa học pin cần có mô hình hóa kinh tế-kỹ thuật nghiêm ngặt trước khi mua sắm phần cứng.

Các nhóm kỹ thuật muốn cấu hình bess tối ưu trong tài sản năng lượng mặt trời phải cân bằng các hạn chế chi tiêu vốn với các quỹ đạo suy giảm nhiều thập kỷ và hồ sơ khả năng sẵn có. Các nghiên cứu thiết kế kỹ thuật giai đoạn đầu (FEED) đảm bảo rằng kích thước inverter, hệ thống quản lý nhiệt, và kiến trúc nền tảng điều khiển hoàn toàn phù hợp với các điều kiện hoạt động cụ thể của địa điểm.

Hợp tác với CNTE (Công ty TNHH Công nghệ Năng lượng Tinh vân Đương đại) cho phép các EPC và chủ sở hữu tài sản xác định các topologies tích hợp tối ưu, tinh chỉnh các footprint BoS, và triển khai các kiến trúc lưu trữ năng lượng mạnh mẽ. Liên hệ với đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi để gửi các sơ đồ một dòng cụ thể cho địa điểm của bạn, các thông số kết nối, và các mục tiêu chu kỳ làm việc để phân tích kỹ thuật chi tiết và tư vấn cấp dự án.