Điện năng trong hệ thống điện dân dụng được truyền tải dưới dạng điện xoay chiều (AC – Alternating Current) thông qua lưới điện quốc gia và cung cấp tới các hộ gia đình. Dòng điện xoay chiều này sau đó thường được chuyển đổi thành điện một chiều (DC – Direct Current) thông qua các bộ nguồn hoặc bộ chuyển đổi để phù hợp với yêu cầu vận hành của các thiết bị điện tử.

Trong khi đó, pin và các hệ thống lưu trữ năng lượng chỉ hoạt động với dòng điện một chiều, nghĩa là quá trình sạc và xả đều diễn ra dưới dạng DC. Do vậy, khi kết nối hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (BESS) với lưới điện (AC), rồi sau đó cấp điện cho các thiết bị điện tử (phần lớn vận hành bằng DC), năng lượng phải trải qua nhiều bước chuyển đổi giữa AC và DC.

Điều này đặt ra một vấn đề cần giải quyết: việc thiết kế các bước chuyển đổi giữa AC và DC như thế nào để vừa tương thích với lưới điện hiện tại, vừa tối ưu hiệu suất tổng thể của hệ thống, do mỗi lần chuyển đổi giữa AC và DC đều gây ra tổn hao năng lượng.

Trong bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ nội dung về hai cấu hình AC Coupled & DC Coupled trong hệ PV và BESS.

Minh họa hai cấu hình AC Coupled và DC Coupled

AC Coupled
AC Coupled là cấu hình trong đó hệ pin BESS được kết nối vào hệ thống ở phía AC.

Điện từ hệ mặt trời (PV) được tạo ra dưới dạng DC và thường cần inverter để chuyển thành AC phù hợp với lưới điện. “Kết nối ở phía AC” nghĩa là pin được kết nối vào hệ thống điện ở phía sau inverter.

Trong cấu hình này, hệ PV tạo ra dòng điện DC, sau đó được inverter chuyển đổi thành AC để cấp cho tải hoặc đưa lên lưới điện. Tại điểm AC bus, dòng điện AC này có thể được phân phối trong hệ thống hoặc được chuyển sang hệ BESS. Quá trình sạc và xả của BESS được thực hiện thông qua PCS với chức năng chuyển đổi hai chiều:
– Khi sạc, PCS chuyển đổi điện AC thành DC để nạp vào pin
– Khi xả, PCS chuyển đổi điện DC từ pin thành AC để đưa trở lại hệ thống

Ưu điểm của cấu hình AC Coupled

Khả năng tích hợp linh hoạt: Một trong những lợi thế quan trọng của cấu hình AC Coupled nằm ở khả năng triển khai trên các hệ thống hiện hữu. Do hệ BESS trong cấu hình được kết nối ở phía AC nên sẽ không yêu cầu can thiệp sâu vào phần DC của hệ PV hiện tại. Điều này giúp giảm đáng kể độ phức tạp trong thiết kế lại hệ thống, hạn chế rủi ro kỹ thuật và cho phép triển khai theo hướng mở rộng từng bước. Vì vậy, cấu hình này đặc biệt phù hợp với các kịch bản nâng cấp hoặc mở rộng hệ thống năng lượng đã tồn tại.

Mức độ linh hoạt cao trong thiết kế và mở rộng: Trong cấu hình AC Coupled, PV và BESS vận hành một cách tương đối độc lập, được kết nối thông qua một điểm chung ở phía AC (gọi là AC bus). Nhờ đó, việc mở rộng công suất của từng thành phần có thể được thực hiện mà không ảnh hưởng đáng kể đến phần còn lại.

Khả năng điều khiển và vận hành độc lập: Việc mỗi thành phần sử dụng bộ chuyển đổi riêng, như inverter cho PV và PCS cho BESS, tạo điều kiện cho việc điều khiển và tối ưu vận hành theo từng mục tiêu cụ thể. Hệ PV có thể vận hành theo nguyên tắc tối đa hóa sản lượng theo điều kiện bức xạ, trong khi BESS có thể được điều khiển độc lập để phục vụ các mục tiêu khác nhau như điều chỉnh phụ tải, lưu trữ năng lượng theo thời điểm, hoặc hỗ trợ ổn định hệ thống điện. Cách tách biệt này giúp tăng tính minh bạch trong điều khiển và cho phép triển khai nhiều chiến lược vận hành song song trong cùng một hệ thống.

Khả năng tương thích cao với hệ thống đa dạng: Do kết nối ở phía AC – nơi đã được tiêu chuẩn hóa cao trong hệ thống điện – cấu hình AC Coupled có khả năng tương thích tốt với nhiều loại thiết bị và kiến trúc khác nhau. Điều này đặc biệt hữu ích trong các môi trường có sự pha trộn giữa nhiều thế hệ công nghệ, nhiều loại inverter hoặc nhiều khu vực phụ tải. Hệ thống có thể tích hợp và vận hành mà không cần đồng bộ hoàn toàn về thiết bị hoặc kiến trúc từ đầu.

Nhược điểm của cấu hình AC Coupled
Tổn hao chuyển đổi năng lượng cao hơn: Một hạn chế mang tính bản chất của cấu hình AC Coupled là dòng năng lượng phải đi qua nhiều tầng chuyển đổi hơn khi thực hiện chu trình lưu trữ và sử dụng lại. Mỗi lần chuyển đổi AC/DC đều đi kèm tổn hao do hiệu suất của inverter/ PCS không bao giờ đạt 100%. Khi cộng dồn toàn bộ chuỗi chuyển đổi, hiệu suất tổng thể của hệ thống có thể bị giảm đáng kể so với cấu hình DC Coupled, nơi một phần dòng năng lượng có thể đi trực tiếp trong miền DC.

Gia tăng số lượng thiết bị chuyển đổi và lớp hệ thống: Do PV và BESS được triển khai như hai hệ thống độc lập, mỗi phần yêu cầu một bộ chuyển đổi riêng, inverter cho PV và PCS cho hệ lưu trữ. Điều này làm tăng tổng số thiết bị điện tử công suất trong hệ thống. Ở mức hệ thống, hệ quả không chỉ dừng lại ở chi phí phần cứng, mà còn bao gồm:
– Gia tăng số điểm có thể xảy ra lỗi (failure points)
– Tăng yêu cầu đồng bộ và phối hợp điều khiển giữa các bộ chuyển đổi
– Tăng độ phức tạp trong tích hợp với EMS và hệ thống giám sát
Ngoài ra, việc vận hành nhiều thiết bị chuyển đổi song song trên cùng AC bus cũng đặt ra yêu cầu cao hơn về điều phối công suất, đặc biệt trong các kịch bản có nhiều nguồn và nhiều phụ tải biến động.

Chi phí hệ thống có thể kém tối ưu: Trong các dự án được thiết kế mới hoàn toàn, nơi PV và BESS được quy hoạch ngay từ đầu như một hệ thống tích hợp, cấu hình AC Coupled không phải lúc nào cũng là lựa chọn tối ưu về chi phí. Nguyên nhân nằm ở việc:
– Phải đầu tư hai lớp chuyển đổi riêng biệt
– Không tận dụng được các lợi thế về giảm thiết bị trung gian như trong DC Coupled
– Hiệu suất thấp hơn trong một số kịch bản vận hành, ảnh hưởng đến bài toán kinh tế dài hạn

DC Coupled
DC Coupled là cấu hình trong đó hệ pin BESS và hệ PV cùng kết nối ở phía DC.

Điện từ hệ mặt trời (PV) được tạo ra dưới dạng DC và thường cần inverter để chuyển thành AC phù hợp với lưới điện. “Kết nối ở phía DC” nghĩa là pin được kết nối vào hệ thống điện ở phía trước inverter.

Trong cấu hình DC Coupled, hệ PV tạo ra dòng điện DC và BESS cũng lưu trữ điện ở dạng DC, vì vậy hai thành phần này được kết nối chung trên một DC bus. Dòng điện từ DC bus sau đó được inverter chuyển đổi thành AC để cấp cho tải hoặc đưa lên lưới điện. Nhờ cùng nằm trên DC bus, điện từ PV có thể được đưa trực tiếp vào BESS để lưu trữ mà không cần chuyển đổi sang AC trước, giúp giảm số bước chuyển đổi và cải thiện hiệu suất so với cấu hình AC Coupled.

Ưu điểm của cấu hình DC Coupled

Hiệu suất cao hơn so với AC Coupled: Trong cấu hình DC Coupled, PV và BESS cùng kết nối trên một DC bus, cho phép dòng điện từ PV đi trực tiếp vào hệ lưu trữ mà không cần chuyển đổi qua AC trung gian. Nhờ giảm bớt các bước chuyển đổi DC/AC, tổn hao năng lượng được hạn chế, từ đó cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống, đặc biệt trong các kịch bản lưu trữ và sử dụng lại điện mặt trời tại chỗ.

Tối ưu cho thiết kế tích hợp ngay từ đầu: DC Coupled phù hợp với các hệ thống được quy hoạch đồng bộ từ đầu, nơi PV và BESS được thiết kế như một kiến trúc thống nhất thay vì hai hệ thống tách biệt. Cách tiếp cận này cho phép tối ưu kích thước, cấu hình và điều phối năng lượng ngay từ cấp DC, đặc biệt hiệu quả trong các hệ thống hybrid, vi lưới hoặc các dự án năng lượng tái tạo kết hợp lưu trữ ở quy mô lớn.

Khả năng tận dụng tốt hơn sản lượng PV: Do kết nối trực tiếp ở phía DC, hệ thống có thể linh hoạt phân phối dòng năng lượng từ PV giữa inverter và BESS trước khi bị giới hạn bởi công suất phía AC. Trong các điều kiện mà công suất phát lên lưới bị giới hạn, phần điện dư từ PV có thể được chuyển sang lưu trữ thay vì bị cắt giảm. Điều này giúp hạn chế việc cắt giảm công suất không cần thiết và cải thiện mức độ khai thác nguồn năng lượng tái tạo.

Nhược điểm của cấu hình DC Coupled

Thiết kế và triển khai phức tạp hơn: DC Coupled yêu cầu thiết kế kỹ thuật chặt chẽ hơn vì toàn bộ PV và BESS cùng làm việc trên một DC bus. Điều này đòi hỏi phải kiểm soát tốt điện áp, dòng điện và sự tương thích giữa các thành phần như inverter, pin và bộ chuyển đổi DC/DC. Ngoài ra, hệ DC khó xử lý hơn AC về mặt đóng cắt và an toàn điện, nên yêu cầu về bảo vệ và thiết kế thường nghiêm ngặt hơn.

Khó tích hợp vào hệ thống đã có sẵn: Trong các hệ PV đã vận hành ổn định theo cấu hình AC, việc bổ sung BESS theo hướng DC Coupled thường không đơn giản. Do phải can thiệp vào phía DC của hệ thống, nhiều trường hợp cần thay đổi inverter hoặc điều chỉnh lại kiến trúc hiện hữu. Vì vậy, DC Coupled thường không phải lựa chọn tối ưu cho các dự án cải tạo.

Mức độ linh hoạt thấp hơn khi mở rộng: Do PV và BESS liên kết trực tiếp ở phía DC, việc mở rộng hoặc thay đổi một phần của hệ thống thường cần xem xét ảnh hưởng đến toàn bộ kiến trúc. So với AC Coupled, khả năng tách rời và mở rộng độc lập từng phần có thể bị hạn chế hơn.

Yêu cầu điều khiển hệ thống cao hơn: Để hệ thống vận hành hiệu quả, các thành phần như inverter, bộ lưu trữ và hệ điều khiển trung tâm cần phối hợp chặt chẽ với nhau. Điều này làm tăng độ phức tạp trong vận hành và đòi hỏi hệ thống điều khiển (EMS, BMS) được thiết kế tốt để đảm bảo ổn định và tối ưu hiệu suất.

AC Coupled vs DC Coupled
Nếu nhìn ở mức hệ thống, sự khác biệt giữa AC Coupled và DC Coupled không chỉ nằm ở vị trí kết nối, mà nằm ở triết lý thiết kế năng lượng.

AC Coupled ưu tiên tính linh hoạt. Việc kết nối ở phía AC cho phép hệ PV và BESS vận hành như hai thành phần tương đối độc lập, dễ dàng tích hợp vào các hệ thống đã có sẵn và thuận lợi trong việc mở rộng theo từng giai đoạn. Đây là lựa chọn phù hợp trong các kịch bản retrofit, hoặc các hệ thống có nhiều nguồn và nhiều loại thiết bị cần phối hợp với nhau.

Ngược lại, DC Coupled ưu tiên hiệu suất. Khi toàn bộ hệ PV và BESS cùng hoạt động trên một DC bus, dòng năng lượng có thể được điều phối trực tiếp mà không cần qua nhiều tầng chuyển đổi, giúp giảm tổn hao và tận dụng tốt hơn sản lượng điện mặt trời, đặc biệt trong các hệ thống bị giới hạn công suất phía AC. Tuy nhiên, lợi thế này đi kèm với yêu cầu thiết kế và điều khiển phức tạp hơn, cũng như mức độ linh hoạt thấp hơn khi cần mở rộng hoặc thay đổi cấu hình.

Kết luận
Không có cấu hình nào tốt hơn giữa AC Coupled và DC Coupled, mà chỉ có cấu hình phù hợp với mục tiêu của hệ thống.

AC Coupled thường là lựa chọn hợp lý khi cần tận dụng hạ tầng hiện hữu, triển khai nhanh và giữ tính linh hoạt trong vận hành. Trong khi đó, DC Coupled phù hợp hơn với các hệ thống được thiết kế mới từ đầu, nơi hiệu suất và khả năng tối ưu dòng năng lượng được đặt lên hàng đầu.

Ở góc nhìn tổng thể, có thể xem AC Coupled là cách tiếp cận theo hướng “tích hợp mở”, còn DC Coupled là cách tiếp cận theo hướng “tối ưu hóa nội tại”. Việc lựa chọn giữa hai cấu hình này vì vậy không chỉ là bài toán kỹ thuật, mà còn là bài toán về chiến lược thiết kế hệ thống ngay từ đầu.

Tiếp tục khám phá chuyên đề BESS & Pin trên trang technologyMAG
Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (BESS) đang trở thành một trong những công nghệ quan trọng trong quá trình chuyển dịch năng lượng, từ điện mặt trời, điện gió cho đến các ứng dụng công nghiệp và lưới điện hiện đại. Tuy nhiên, đây cũng là lĩnh vực bao gồm nhiều khái niệm, công nghệ và tiêu chuẩn kỹ thuật khác nhau cần được tìm hiểu theo từng bước.

Để giúp độc giả thuận tiện tra cứu và theo dõi toàn bộ chuỗi nội dung, Ban biên tập technologyMAG đã xây dựng Trang tổng hợp chuyên đề BESS & Pin, bao gồm các nhóm bài viết về tổng quan công nghệ, cấu tạo hệ thống, pin lưu trữ, tiêu chuẩn kỹ thuật, ứng dụng thực tế và các xu hướng mới trong ngành.

Tìm hiểu thêm chuyên đề BESS & Pin tại đây: www.technologymag.net/technologymag-gioi-thieu-loat-tin-bai-chu-de-bess-pin/

Để xem các tin bài khác về “BESS”, hãy nhấn vào đây.