Hệ thống lưu trữ năng lượng đóng một vai trò quan trọng trong các hệ thống điện hiện đại, đặc biệt với sự thâm nhập ngày càng tăng của các nguồn năng lượng tái tạo. Hoạt động lưu trữ năng lượng ở bốn góc phần tư - là một khái niệm quan trọng mô tả các đặc tính dòng điện giữa hệ thống lưu trữ năng lượng và lưới điện.
Theo GB/T 44026 - 2024 "Thông số kỹ thuật cho Cabin đúc sẵn loại - Hệ thống lưu trữ năng lượng pin Lithium - ion", công suất đầu ra của hệ thống lưu trữ năng lượng phải được điều chỉnh theo bốn góc phần tư1.
1.Khái niệm cơ bản về lưu trữ năng lượng Bốn góc phần tư
1.1Tìm hiểu hệ số công suất
Có 4 cách ly cần được xem xét.
Trong góc phần tư thứ nhất, cả công suất tác dụng (P) và công suất phản kháng (Q) của hệ thống lưu trữ năng lượng đều lớn hơn 0. Hệ thống lưu trữ năng lượng ở trạng thái xả, giải phóng công suất tác dụng vào lưới và đồng thời bù công suất phản kháng. Đây thường là trường hợp khi lưới điện cần hỗ trợ thêm công suất tác dụng và công suất phản kháng trong thời gian tải - cao điểm2.
Trong góc phần tư thứ hai, công suất tác dụng của hệ thống lưu trữ năng lượng nhỏ hơn 0 và công suất phản kháng lớn hơn 0. Lưới điện cung cấp công suất tác dụng cho hệ thống lưu trữ năng lượng, trong khi hệ thống lưu trữ năng lượng sẽ bù công suất phản kháng cho lưới điện. Tình trạng này có thể xảy ra khi lưới điện có hệ số công suất cao hơn và cần bù công suất phản kháng cảm ứng, đồng thời hệ thống lưu trữ năng lượng có thể hấp thụ công suất tác dụng để sạc trong khi vẫn cung cấp công suất phản kháng.2.
Trong góc phần tư thứ ba, cả công suất tác dụng và công suất phản kháng của hệ thống lưu trữ năng lượng đều nhỏ hơn 0. Lưới điện cung cấp cả công suất tác dụng và công suất phản kháng cho hệ thống lưu trữ năng lượng, đồng thời hệ thống lưu trữ năng lượng ở trạng thái sạc và hấp thụ công suất phản kháng từ bên ngoài. Đây là trạng thái sạc bình thường của hệ thống tích trữ năng lượng khi lưới điện có đủ điện và hệ thống tích trữ năng lượng cần được sạc2.
Trong góc phần tư thứ tư, công suất tác dụng của hệ thống lưu trữ năng lượng lớn hơn 0 và công suất phản kháng nhỏ hơn 0. Hệ thống lưu trữ năng lượng cung cấp công suất tác dụng cho lưới điện và hấp thụ công suất phản kháng từ bên ngoài. Điều này có thể được sử dụng để điều chỉnh điện áp của lưới điện trong một số điều kiện vận hành nhất định, ví dụ, khi điện áp lưới quá cao và cần bù công suất phản kháng điện dung, hệ thống lưu trữ năng lượng có thể xả công suất tác dụng trong khi hấp thụ công suất phản kháng2.
1.2 Tính hệ số công suất
Sử dụng Định lý Pythagoras, chúng ta có thể tính tham số thứ 3 từ 2 tham số bất kỳ trong số này như sau3.
Định lý Pythagoras phát biểu A2 + B2=C2
Ngoài ra ta còn sử dụng quy tắc SOHCAHTOA
Sin ϕ=Đối diện/Cạnh huyền
Cos ϕ=Liền kề/Cạnh huyền
Tân ϕ=Đối diện/liền kề
1.3Góc hệ số công suất
Góc hệ số công suất cũng thường được gọi là Góc pha.
Thuật ngữ Hệ số công suất (PF) chỉ đơn giản là tỷ lệ giữa Công suất thực hoặc Công suất "thực" (P) và Công suất biểu kiến (S). Trong khi Công suất phản kháng (Q) là thành phần phản kháng.
Hệ số công suất (PF)=Công suất thực KW (P) / Công suất biểu kiến KVA (S)
Ví dụ: đối với Công suất thực=80kW và Công suất phản kháng=100kVA, chúng tôi có
PF=80/100=0.8
Điều này thể hiện sự mất mát 20%!!! và trong nhiều trường hợp có thể tệ hơn nhiều3.
2.Ý nghĩa của phép toán bốn góc phần tư -
Hoạt động bốn góc phần tư - của hệ thống lưu trữ năng lượng có ý nghĩa quan trọng đối với việc vận hành ổn định và quản lý hiệu quả hệ thống điện.
Trước hết, nó có thể cải thiện chất lượng điện năng của lưới điện. Bằng cách điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng ở các góc phần tư khác nhau, hệ thống lưu trữ năng lượng có thể bù đắp cho sự dao động công suất và mất ổn định điện áp do các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió và mặt trời gây ra. Ví dụ, khi sản lượng điện gió giảm đột ngột, hệ thống lưu trữ năng lượng ở góc phần tư thứ nhất có thể nhanh chóng giải phóng công suất tác dụng để duy trì sự ổn định của tần số và điện áp lưới.4.
Thứ hai, nó có thể nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện. Trong trường hợp có sự cố lưới điện hoặc trường hợp khẩn cấp, hệ thống lưu trữ năng lượng có thể hoạt động ở các góc phần tư khác nhau để cung cấp hỗ trợ năng lượng khẩn cấp và bù công suất phản kháng. Ví dụ: trong sự cố ngắn mạch - của lưới điện, hệ thống lưu trữ năng lượng kết hợp với Bộ bù đồng bộ tĩnh (StatCom) có thể bơm hoặc hấp thụ công suất tác dụng và công suất phản kháng tương ứng với dòng điện trên đường dây để làm giảm dao động và ổn định hệ thống điện4.
Cuối cùng, nó có thể cải thiện hiệu quả sử dụng của các thiết bị lưu trữ năng lượng. Hoạt động ở bốn góc phần tư - cho phép hệ thống lưu trữ năng lượng sạc và xả vào các thời điểm khác nhau và trong các điều kiện hệ số công suất khác nhau, tận dụng tối đa dung lượng của pin và các phương tiện lưu trữ năng lượng khác4.
3. Công nghệ hiện thực hóa bốn phép toán góc phần tư -
Việc thực hiện hoạt động bốn góc phần tư - của hệ thống lưu trữ năng lượng chủ yếu phụ thuộc vào hệ thống chuyển đổi năng lượng (PCS) và chiến lược điều khiển.
Đối với PCS, nó thường sử dụng cấu trúc liên kết bộ chuyển đổi nhiều cấp -, chẳng hạn như bộ chuyển đổi cầu H - xếp tầng (CHB). Hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) dựa trên bộ chuyển đổi CHB - có thể thực hiện hoạt động của bốn góc phần tư - bằng cách kiểm soát dòng điện giữa pin và lưới điện5. Như đã đề xuất trong bài báo "Điều khiển vận hành bốn góc phần tư của điện áp cao - Công suất máy biến áp lớn - Hệ thống tích hợp lưu trữ năng lượng pin và bù công suất phản kháng", bằng cách phân tách vectơ của điện áp pha điều chế tạo ra vòng lặp - khép kín, hệ số công suất phía lưới - có thể được duy trì và tất cả phụ - hệ số công suất của mô-đun có thể được bù mà không vượt quá ranh giới chu kỳ vi mô -6.
Về mặt chiến lược kiểm soát, cần có một chiến lược kiểm soát toàn diện. Ví dụ: chiến lược điều khiển được đề xuất cho BESS dựa trên CHB - bao gồm phân tách định lượng các thành phần dòng pin bằng bộ lọc LC, thu được phạm vi khả thi để tránh các chu kỳ vi mô - trong bốn hoạt động góc phần tư - và phân tích chiến lược điều chế thống nhất xem xét việc loại bỏ các chu kỳ vi mô - và bên trong Cân bằng điện tích trạng thái pha -7.
Một ví dụ khác là hệ thống điều chỉnh công suất bốn góc phần tư - do Khoa Kỹ thuật Điện của Đại học Thanh Hoa và các đơn vị khác đề xuất. Hệ thống này kết hợp bộ lưu trữ năng lượng và StatCom, đồng thời có thể cung cấp các chức năng bù, điều chỉnh và hỗ trợ năng lượng cho tính ngẫu nhiên, dạng sóng và độ không chắc chắn của năng lượng mới. Nó có thể đáp ứng việc điều phối lưới điện trong 5 mili giây và thực hiện việc điều chỉnh nhanh chóng công suất tác dụng từ 0 đến 100% trong vòng 150 mili giây8.
4.Các trường hợp ứng dụng của phép toán bốn góc phần tư -
Trong một số nhà máy điện lưu trữ năng lượng gió - năng lượng mặt trời - quy mô lớn -, hệ thống lưu trữ năng lượng có thể hoạt động ở các góc phần tư khác nhau tùy theo sản lượng điện gió và năng lượng mặt trời cũng như nhu cầu của lưới điện. Khi nguồn năng lượng gió, mặt trời dồi dào, hệ thống tích trữ năng lượng có thể hoạt động ở góc phần tư thứ ba để sạc và lưu trữ năng lượng; khi năng lượng gió và năng lượng mặt trời không đủ, nó có thể hoạt động ở góc phần tư thứ nhất để xả và cung cấp điện cho lưới điện.
Trong mạng lưới phân phối điện, hệ thống lưu trữ năng lượng cũng có thể được sử dụng để điều chỉnh điện áp và bù công suất phản kháng. Bằng cách hoạt động ở góc phần tư thứ hai và thứ tư, nó có thể điều chỉnh điện áp của mạng phân phối và cải thiện hệ số công suất của phía người dùng9.
Hoạt động bốn góc phần tư - của hệ thống lưu trữ năng lượng là một công nghệ quan trọng trong hệ thống điện hiện đại. Nó có thể cải thiện chất lượng điện năng, nâng cao độ tin cậy của hệ thống và tăng hiệu quả sử dụng các thiết bị lưu trữ năng lượng. Với sự phát triển không ngừng của các công nghệ năng lượng mới và nhu cầu ngày càng tăng về độ ổn định của hệ thống điện, hoạt động bốn góc phần tư - của hệ thống lưu trữ năng lượng sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong hệ thống điện trong tương lai.
[1]GB/T 44026 - 2024, Thông số kỹ thuật cho Hệ thống lưu trữ năng lượng pin lithium - ion loại - đúc sẵn.
[2]Ủy ban đặc biệt về công nghệ lưu trữ năng lượng, Giới thiệu các yêu cầu kỹ thuật về kiểm soát năng lượng của hệ thống lưu trữ năng lượng.
[3]Fastron Electronics, Cách thức hoạt động của việc hiệu chỉnh hệ số công suất.
[4]Douding.com, Phương pháp lập kế hoạch lưu trữ năng lượng bốn góc phần tư để nâng cao năng lực tiêu thụ quang điện và sự an toàn của mạng lưới phân phối.
[5]IEEE, Kiểm soát hoạt động bốn góc phần tư-của hệ thống lưu trữ năng lượng pin của bộ chuyển đổi cầu H- theo tầng.
[6]Kỷ yếu của CSEE, Công nghệ điều khiển hoạt động bốn góc phần tư-cho các hệ thống có công suất-trực tiếp-có điện áp cao-có dung lượng lớn-với pin lưu trữ năng lượng và bù công suất phản kháng.
[7]AEPS, một chiến lược cấu hình được tối ưu hóa để lưu trữ năng lượng trong mạng phân phối xem xét công suất đầu ra ở bốn góc phần tư.
[8]Tin tức Đại học Thanh Hoa, Bốn-Hệ thống điều tiết quyền lực trong góc phần tư.
[9]Douding.com, Nghiên cứu về chiến lược điều khiển + quyền lực trực tiếp của hệ thống BESS.
