Với khả năng lưu trữ và cung cấp năng lượng linh hoạt, ngoài đóng vai trò là một nguồn năng lượng tin cậy và công cụ điều khiển lưới điện trong thời gian thực, BESS còn đóng một vai trò mang tính nền tảng và quan trọng hơn, đó là một lớp hỗ trợ bảo vệ và phục hồi hệ thống điện.

Trong bối cảnh năng lượng là yếu tố nền tảng cho sự phát triển nhiều lĩnh vực, sự ổn định và liên tục của lưới điện là yếu tố quan trọng nhất với mạng lưới. Trong bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ bài viết về chủ đề ứng dụng của hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin trong việc bảo vệ và phục hồi hệ thống điện

Khởi động lại hệ thống từ trạng thái mất điện hoàn toàn (Black start)
Khi một hệ thống điện rơi vào trạng thái mất điện diện rộng, vấn đề không đơn thuần là không có điện, mà là sự biến mất của các tham số nền tảng như điện áp và tần số. Đây là hai yếu tố đóng vai trò tham chiếu để mọi thiết bị và nguồn phát trong hệ thống có thể vận hành đồng bộ. Khi chúng biến mất, hệ thống điện không còn một “khung vật lý” để hoạt động.

Trong trạng thái này, các nhà máy điện truyền thống, đặc biệt là nhiệt điện than, tua-bin khí hay thủy điện quy mô lớn không thể tự khởi động. Lý do nằm ở chỗ các hệ thống phụ trợ như bơm, quạt, hệ thống điều khiển hay hệ thống kích từ đều cần điện để vận hành trước khi tổ máy chính có thể phát điện. Nói cách khác, để tạo ra điện, chúng lại cần điện từ trước, dẫn đến một vòng lặp không thể tự phá vỡ nếu không có nguồn khởi động ban đầu.

Trước đây, vai trò này thường được đảm nhận bởi các tổ máy diesel chuyên dụng hoặc một số nhà máy thủy điện nhỏ có khả năng tự khởi động. Tuy nhiên, các phương án này tồn tại nhiều hạn chế: thời gian khởi động chậm, công suất giới hạn, và quan trọng hơn là thiếu khả năng kiểm soát linh hoạt các thông số hệ thống trong giai đoạn phục hồi, giai đoạn mà lưới điện rất dễ mất ổn định.

BESS giải quyết điểm nghẽn này không chỉ bằng khả năng cung cấp điện, mà trực tiếp tái tạo lại nền tảng vận hành của hệ thống. Với inverter có khả năng tạo lưới (grid-forming), BESS có thể thiết lập điện áp và tần số từ trạng thái bằng không, đóng vai trò như một nguồn tham chiếu chủ động. Điều này cho phép các thiết bị và nguồn phát khác tham chiếu (1), từ đó có thể lần lượt khởi động và hòa vào lưới.
(1) Trong hệ thống điện xoay chiều, các nguồn phát không thể vận hành độc lập mà phải đồng bộ theo cùng một điện áp, tần số và góc pha. Khi mất điện diện rộng, toàn bộ “hệ quy chiếu” này biến mất, khiến các nguồn phát không có cơ sở để khởi động và hòa lưới an toàn. Vì vậy, cần một nguồn tham chiếu ban đầu để tái thiết lập điện áp và tần số. Khi hệ quy chiếu này được tạo ra, các nguồn phát khác mới có thể điều chỉnh theo và lần lượt đưa hệ thống trở lại vận hành.

Quan trọng hơn, BESS không chỉ khởi động một lần rồi dừng lại. Trong suốt quá trình phục hồi, hệ thống có thể liên tục điều chỉnh tần số, kiểm soát điện áp và hấp thụ các dao động công suất khi các nguồn phát khác được đưa vào vận hành. Đây là điểm khác biệt mang tính hệ thống: thay vì chỉ là một nguồn cấp điện ban đầu, BESS trở thành một “bộ điều phối” giúp quá trình khôi phục diễn ra có kiểm soát.

Một ví dụ điển hình là Hornsdale Power Reserve tại Nam Úc. Hệ thống này ban đầu được triển khai để điều tần, nhưng sau đó đã được nâng cấp để hỗ trợ khởi động lại lưới. Trong các thử nghiệm thực tế, pin có thể cấp nguồn cho các tổ máy xung quanh nhanh hơn đáng kể so với phương án máy phát diesel dự phòng, giúp rút ngắn thời gian phục hồi toàn hệ thống.

Dự phòng quy mô lớn – duy trì tính liên tục của hệ thống điện
Ở cấp độ phụ tải lớn, vấn đề không nằm ở việc “có điện hay không”, mà là chất lượng và tính liên tục của điện năng. Với các hệ thống như trung tâm dữ liệu hoặc dây chuyền sản xuất liên tục, ngay cả một dao động rất nhỏ về điện áp hoặc tần số trong vài chục mili giây cũng đủ để gây lỗi – từ khởi động lại thiết bị, sai lệch dữ liệu, đến dừng toàn bộ quy trình. Những hệ thống này thực tế không chịu được “gián đoạn”, kể cả khi thời gian mất điện gần như bằng không.

BESS đóng vai trò như một lớp dự phòng năng lượng có khả năng phản ứng tức thời. Khi xảy ra sự cố trên lưới, ví dụ như sụt áp, mất nguồn hoặc dao động tần số, inverter của BESS không chờ tín hiệu ổn định từ lưới mà ngay lập tức chuyển sang chế độ cấp điện chủ động. Trong khoảng thời gian chỉ vài mili giây, hệ thống có khả năng bù đắp công suất thiếu hụt, giữ điện áp và tần số trong giới hạn cho phép, tạo ra một nguồn điện mang tính “liền mạch” đối với phụ tải phía sau.

Điểm quan trọng nằm ở chỗ BESS không chỉ thay thế nguồn điện bị mất, mà còn hấp thụ các dao động xảy ra trong quá trình chuyển đổi. Khi lưới bị lỗi rồi phục hồi, thường sẽ xuất hiện các biến động về tần số và điện áp. Nếu không có lớp đệm này, các dao động đó sẽ truyền trực tiếp đến phụ tải nhạy cảm. Với BESS, toàn bộ quá trình này sẽ được xử lý, khiến hệ thống phía sau gần như không nhận ra có sự kiện xảy ra.

Vì vậy, vai trò của BESS trong dự phòng quy mô lớn không đơn thuần là cấp điện dự phòng, mà là duy trì một trạng thái điện liên tục và ổn định ở mức hệ thống, nơi gián đoạn không được phép tồn tại dù chỉ trong tích tắc.

Trong thực tế, các trung tâm dữ liệu quy mô lớn của Google và Microsoft đang chuyển kết hợp hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin với UPS truyền thống. Điều này không chỉ giúp phản ứng nhanh hơn mà còn cho phép mở rộng bảo vệ từ cấp thiết bị lên toàn bộ cơ sở hạ tầng.

Ứng dụng vi lưới và vận hành độc lập
Trong hệ thống điện truyền thống, độ ổn định phần lớn đến từ quy mô và mức độ liên kết của toàn lưới. Khi hàng trăm máy phát điện đồng bộ cùng hoạt động, hệ thống được hưởng lợi từ quán tính cơ học của các tua-bin quay, dự phòng quay, khả năng chia sẻ công suất giữa nhiều nguồn phát ở nhiều khu vực khác nhau. Nhờ đó, những dao động nhỏ về phụ tải hay biến động cục bộ của nguồn điện thường được lưới điện điều tiết. Nhưng khi một lưới cục bộ bị tách khỏi lưới chính và chuyển sang chế độ islanding (2), gần như toàn bộ lớp đệm của hệ thống sẽ biến mất. Lúc này, phần lưới bị cô lập không còn dựa vào quán tính và năng lực điều tần của hệ thống lớn, mà phải tự xử lý mọi sai lệch giữa cung và cầu theo thời gian thực.
(2) Islanding là trạng thái khi một phần của hệ thống điện bị tách khỏi lưới chính nhưng vẫn tiếp tục vận hành nhờ các nguồn điện nội tại. Trạng thái này thường xảy ra khi hệ thống buộc phải cô lập một khu vực để xử lý sự cố như chập mạch, quá tải hoặc mất ổn định điện áp, tần số, nhằm ngăn sự cố lan rộng sang toàn lưới. Ngoài ra, trong các vi lưới (microgrid) hiện đại, islanding cũng có thể được kích hoạt chủ động khi phát hiện lưới chính không ổn định, giúp duy trì cấp điện liên tục cho khu vực quan trọng thay vì bị mất điện hoàn toàn.

Hỗ trợ hạ tầng hiện hữu
Trong nhiều trường hợp, vấn đề của hệ thống điện không phải là thiếu công suất tổng thể, mà là quá tải cục bộ trong một khoảng thời gian rất ngắn. Một khu vực có thể chỉ đạt tải đỉnh (công suất tải cực đại) vài giờ mỗi năm vào giờ cao điểm, nhưng vẫn phải đầu tư nâng cấp đường dây hoặc trạm biến áp để đáp ứng mức đỉnh đó. Điều này dẫn đến một nghịch lý: hạ tầng được xây để chịu những lúc tải cao nhất, nhưng phần lớn thời gian lại không dùng hết công suất này.

BESS cho phép triển khai một hướng tiếp cận khác: thay vì mở rộng hệ thống hạ tầng vật lý hiện hữu, có thể điều tiết dòng năng lượng theo thời gian.

Về nguyên lý, BESS hoạt động như một lớp đệm năng lượng đặt ngay tại điểm có nguy cơ quá tải. Khi phụ tải thấp hoặc hệ thống còn dư công suất, hệ thống sẽ nạp điện vào pin. Khi nhu cầu tăng đột biến vượt ngưỡng chịu tải của hạ tầng, BESS sẽ xả điện để bổ sung công suất tại chỗ, qua đó giảm lượng điện phải truyền qua đường dây hoặc trạm biến áp. Nhờ việc giảm tải này, dòng điện thực tế trên hạ tầng được giữ trong giới hạn thiết kế, tiết kiệm chi phí đầu tư mở rộng cho mạng lưới hạ tầng.

Tại New York, Con Edison đã triển khai hệ thống pin để trì hoãn việc xây mới trạm biến áp tại khu vực Brooklyn – Queens. Bằng cách xả điện vào giờ cao điểm, hệ thống giúp giảm tải cho lưới hiện hữu, cho phép trì hoãn đầu tư trong nhiều năm.

Kết luận
Trong những trường hợp xảy ra sự cố, từ mất điện diện rộng, dao động tức thời đến vận hành cô lập, BESS không đơn thuần là một nguồn bổ sung, mà là thành phần giữ cho hệ thống tiếp tục vận hành. Khả năng thiết lập điện áp và tần số từ trạng thái bằng không, phản ứng trong vài mili giây và hấp thụ dao động trong suốt quá trình chuyển đổi giúp BESS đảm nhận vai trò mà các nguồn phát truyền thống không thể thực hiện.

Quan trọng hơn, vai trò này không dừng lại ở một thời điểm khởi động hay một sự kiện sự cố đơn lẻ. BESS có khả năng duy trì sự ổn định liên tục trong suốt quá trình phục hồi, tạo ra một lớp đệm vận hành giúp các nguồn phát khác có thể lần lượt hòa lưới mà không gây mất ổn định hệ thống.

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