Sự phát triển của BESS (Battery Energy Storage System) đang mở ra nhiều giải pháp mới cho việc lưu trữ và quản lý năng lượng trong nhà máy, trạm điện, hệ thống năng lượng tái tạo và hạ tầng sạc xe điện. Tuy nhiên, bên cạnh khả năng lưu trữ và điều phối công suất, hệ thống BESS cũng sử dụng nhiều thiết bị điện tử công suất như bộ PCS, bộ chuyển đổi DC/DC và hệ thống điều khiển.

Các thiết bị này có thể tạo ra các thành phần dòng điện không hình sin và ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Trong những hệ thống có yêu cầu cao về chất lượng điện, Bộ lọc sóng hài chủ động AHF (Active Harmonic Filter) có thể được sử dụng để hỗ trợ kiểm soát dòng điện hài và cải thiện chất lượng điện năng.

BESS là gì và tại sao cần quan tâm đến chất lượng điện năng?

BESS là hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin, cho phép tích trữ điện năng và cung cấp trở lại cho tải hoặc lưới điện khi cần thiết.

Một hệ thống BESS hoàn chỉnh thường bao gồm:

• Battery Energy Storage System - hệ thống pin lưu trữ.
• PCS - Power Conversion System.
• BMS - Battery Management System.
• EMS - Energy Management System.
• Thiết bị đóng cắt và bảo vệ.
• Hệ thống làm mát và quản lý nhiệt.
• Hệ thống giám sát và điều khiển.

Trong đó, PCS là một trong những thành phần quan trọng nhất liên quan đến chất lượng điện năng vì nó thực hiện quá trình chuyển đổi năng lượng giữa phía DC của hệ thống pin và phía AC của lưới điện.

Khi BESS sạc pin, PCS chuyển đổi điện năng từ AC sang DC. Khi BESS xả năng lượng, PCS thực hiện quá trình chuyển đổi theo chiều ngược lại. Chính quá trình chuyển đổi hai chiều này khiến việc kiểm soát chất lượng dòng điện trở thành một yếu tố cần được xem xét trong thiết kế hệ thống.

Sóng hài có thể xuất hiện ở đâu trong hệ thống BESS?

Nguồn phát sinh sóng hài trong BESS chủ yếu liên quan đến các bộ biến đổi điện tử công suất. Tùy cấu hình hệ thống, các thành phần gây méo dòng điện có thể nằm ở nhiều vị trí khác nhau.

PCS là nguồn cần được quan tâm

PCS sử dụng các linh kiện bán dẫn công suất để điều khiển dòng năng lượng giữa pin và lưới điện. Mặc dù các PCS hiện đại thường được thiết kế với khả năng kiểm soát dòng điện tốt, hệ thống thực tế vẫn cần được đánh giá dựa trên điều kiện vận hành và đặc tính của thiết bị.

Khi BESS hoạt động với công suất lớn hoặc nhiều PCS cùng kết nối vào một điểm đấu nối, dòng điện tổng hợp của hệ thống cần được phân tích để xác định mức độ ảnh hưởng đến chất lượng điện năng.

Bộ chuyển đổi DC/DC

Một số cấu hình BESS sử dụng bộ chuyển đổi DC/DC để điều chỉnh điện áp và dòng điện giữa các cụm pin và DC bus. Đây cũng là một dạng thiết bị điện tử công suất cần được xem xét khi đánh giá chất lượng điện năng của toàn hệ thống.

Các tải điện tử khác trong hệ thống

Ngoài PCS và bộ chuyển đổi DC/DC, hệ thống BESS còn có các thiết bị phụ trợ như hệ thống HVAC, bộ nguồn, bộ sạc phụ trợ, thiết bị điều khiển và hệ thống giám sát. Trong một hệ thống quy mô lớn, cần đánh giá tổng thể thay vì chỉ tập trung vào một thiết bị riêng lẻ.

AHF là gì?

AHF (Active Harmonic Filter) là bộ lọc sóng hài chủ động sử dụng công nghệ điện tử công suất để phát hiện và bù các thành phần dòng điện hài trong hệ thống.

Khác với bộ lọc thụ động sử dụng các phần tử như cuộn cảm và tụ điện được thiết kế cho một hoặc một số dải tần nhất định, AHF có khả năng đo dòng điện và chủ động tạo ra dòng điện bù theo điều kiện tải.

Nguyên lý hoạt động cơ bản của AHF gồm:

• Đo dòng điện của hệ thống thông qua cảm biến.
• Phân tích thành phần cơ bản và các thành phần sóng hài.
• Xác định dòng điện cần bù.
• Tạo dòng điện bù có biên độ và pha phù hợp.
• Triệt tiêu các thành phần hài trong dòng điện tổng.

AHF có vai trò gì trong hệ thống BESS?

Vai trò chính của AHF trong BESS là hỗ trợ kiểm soát dòng điện sóng hài tại hệ thống điện AC khi kết quả khảo sát cho thấy mức méo hài cần được xử lý.

AHF không thay thế PCS và cũng không thực hiện chức năng lưu trữ năng lượng. Hai thiết bị có vai trò hoàn toàn khác nhau.

PCS chịu trách nhiệm chuyển đổi và điều khiển dòng năng lượng giữa pin và lưới điện, trong khi AHF tập trung vào việc xử lý các thành phần dòng điện hài.

Có thể hình dung đơn giản:

BESS + PCS: Lưu trữ, chuyển đổi và điều phối năng lượng.

AHF: Hỗ trợ xử lý dòng điện sóng hài trong hệ thống điện.

AHF hoạt động như thế nào khi kết hợp với BESS?

Khi BESS hoạt động, PCS liên tục thay đổi trạng thái giữa sạc, xả hoặc các chế độ điều khiển công suất khác nhau. Dòng điện phía AC vì vậy có thể biến đổi theo điều kiện vận hành.

AHF được kết nối song song tại vị trí phù hợp trong hệ thống. Cảm biến của AHF theo dõi dòng điện và gửi dữ liệu về bộ điều khiển.

Nếu phát hiện các thành phần sóng hài cần xử lý, AHF sẽ tạo ra dòng điện bù tương ứng.

Quá trình này diễn ra liên tục giúp AHF có thể thích ứng với sự thay đổi của phụ tải và trạng thái hoạt động của BESS.

Vị trí lắp đặt AHF trong hệ thống BESS

Vị trí lắp đặt AHF cần được xác định dựa trên sơ đồ điện, điểm phát sinh sóng hài và mục tiêu xử lý của hệ thống.

Lắp AHF tại đầu AC của PCS

Trong một số cấu hình, AHF có thể được bố trí tại khu vực AC liên quan đến PCS để xử lý dòng điện hài gần nguồn phát sinh.

Phương án này phù hợp khi cần tập trung xử lý một nhóm PCS hoặc một cụm BESS cụ thể.

Lắp AHF tại tủ phân phối

Nếu nhiều PCS cùng kết nối vào một tủ phân phối, AHF có thể được xem xét tại vị trí này để xử lý dòng hài tổng hợp của nhiều thiết bị.

Đây là phương án cần được tính toán dựa trên dòng điện thực tế và cấu trúc hệ thống.

Lắp AHF tại điểm đấu nối chung

Đối với hệ thống BESS quy mô lớn, điểm đấu nối với lưới điện có thể là vị trí quan trọng để theo dõi chất lượng điện năng.

Trong trường hợp mục tiêu là kiểm soát ảnh hưởng của toàn bộ hệ thống BESS đối với lưới điện, AHF có thể được cân nhắc tại khu vực này sau khi thực hiện khảo sát và tính toán phù hợp.

Khi nào hệ thống BESS nên sử dụng AHF?

Không phải mọi hệ thống BESS đều bắt buộc phải lắp AHF. Việc lựa chọn cần dựa trên kết quả đo và yêu cầu kỹ thuật của dự án.

AHF có thể được cân nhắc khi:

• THDi tại điểm đấu nối cao hơn mức mục tiêu.
• Nhiều PCS cùng hoạt động trên một hệ thống điện.
• BESS có công suất lớn và hoạt động thường xuyên.
• Hệ thống kết nối với nhiều tải phi tuyến khác.
• Nhà máy đã có sẵn vấn đề về sóng hài trước khi lắp BESS.
• Hệ thống có yêu cầu cao về chất lượng điện năng.
• Cần kiểm soát tác động của BESS đối với điểm đấu nối với lưới.

AHF có cần thiết khi PCS đã có chức năng lọc sóng hài?

Đây là một câu hỏi quan trọng khi thiết kế BESS.

Nhiều PCS hiện đại đã được thiết kế với các chức năng điều khiển dòng điện và giảm méo hài ở phía AC. Tuy nhiên, điều này không đồng nghĩa mọi hệ thống đều đạt cùng một mức chất lượng điện năng trong mọi điều kiện vận hành.

Mức độ ảnh hưởng còn phụ thuộc vào:

• Công suất và cấu hình PCS.
• Số lượng PCS.
• Mức tải của hệ thống.
• Trở kháng lưới.
• Cấu trúc máy biến áp.
• Các tải phi tuyến khác trong nhà máy.
• Điều kiện vận hành sạc và xả của BESS.

Vì vậy, thay vì mặc định rằng PCS đã giải quyết hoàn toàn vấn đề sóng hài, doanh nghiệp nên đo và phân tích chất lượng điện năng tại điểm đấu nối.

AHF và PCS có thay thế cho nhau không?

Không. AHF và PCS có chức năng khác nhau.

Tiêu chí	PCS	AHF
Chức năng chính	Chuyển đổi năng lượng AC/DC hai chiều	Lọc và bù dòng điện sóng hài
Liên quan đến pin	Trực tiếp	Không trực tiếp
Lưu trữ năng lượng	Không trực tiếp, nhưng điều khiển dòng năng lượng đến và từ pin	Không
Xử lý sóng hài	Có thể có khả năng giảm méo hài tùy thiết kế	Là chức năng chính
Vị trí	Trong hệ thống chuyển đổi năng lượng	Thường kết nối song song với hệ thống điện

AHF và SVG có thể kết hợp với BESS không?

Có thể. Trong các hệ thống BESS có yêu cầu đồng thời về sóng hài và công suất phản kháng, AHF và SVG có thể được xem xét sử dụng kết hợp.

AHF tập trung vào việc bù dòng điện hài, trong khi SVG (Static Var Generator) chủ yếu được sử dụng để điều chỉnh và bù công suất phản kháng, hỗ trợ cải thiện hệ số công suất và cân bằng dòng điện tùy cấu hình.

Việc kết hợp các thiết bị này cần được tính toán để tránh đầu tư dư thừa và đảm bảo khả năng phối hợp điều khiển giữa PCS, AHF, SVG và các thiết bị khác.

Lợi ích của việc kiểm soát sóng hài trong hệ thống BESS

Khi chất lượng điện năng được kiểm soát tốt, hệ thống BESS có thể vận hành ổn định hơn và giảm những tác động không mong muốn lên hệ thống điện.

Một số lợi ích có thể đạt được gồm:

• Giảm mức dòng điện sóng hài.
• Giảm độ méo dòng điện tại điểm đấu nối.
• Hạn chế tổn thất liên quan đến dòng điện hài.
• Giảm tác động nhiệt lên cáp và máy biến áp.
• Hỗ trợ duy trì chất lượng điện năng.
• Giảm nguy cơ tương tác không mong muốn với hệ thống tụ bù.
• Hỗ trợ đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về chất lượng điện năng của dự án.

Đo chất lượng điện năng trước khi lắp AHF cho BESS

Đây là bước quan trọng để tránh lựa chọn thiết bị theo cảm tính.

Trước khi thiết kế hệ thống AHF, nên thực hiện đo và phân tích các thông số như:

• THDi.
• THDv.
• Dòng điện RMS.
• Điện áp RMS.
• Phổ các bậc sóng hài.
• Hệ số công suất.
• Công suất tác dụng.
• Công suất phản kháng.
• Mức độ biến động tải theo thời gian.

Đặc biệt, nên thực hiện đo ở nhiều trạng thái khác nhau của BESS như đang sạc, đang xả, tải thấp, tải cao và khi nhiều PCS hoạt động đồng thời.

Cách xác định công suất AHF cho hệ thống BESS

Công suất AHF không nên được lựa chọn đơn giản bằng cách lấy một tỷ lệ phần trăm từ công suất BESS.

Thông thường cần thực hiện theo các bước:

• Bước 1: Xác định công suất và cấu hình BESS.
• Bước 2: Xác định số lượng và công suất PCS.
• Bước 3: Khảo sát sơ đồ kết nối AC.
• Bước 4: Đo dòng điện và chất lượng điện năng.
• Bước 5: Phân tích THDi và phổ sóng hài.
• Bước 6: Xác định dòng điện hài cần bù.
• Bước 7: Xác định mức THDi mục tiêu.
• Bước 8: Lựa chọn công suất AHF có dự phòng phù hợp.

Đối với hệ thống BESS có kế hoạch mở rộng, cần tính đến công suất PCS bổ sung trong tương lai để tránh phải nâng cấp hệ thống lọc quá sớm.

AHF trong BESS kết hợp năng lượng mặt trời

AHF càng đáng được xem xét khi BESS được tích hợp với hệ thống điện mặt trời. Một hệ thống như vậy thường có nhiều bộ chuyển đổi công suất hoạt động đồng thời.

Ban ngày, điện mặt trời có thể cung cấp năng lượng cho tải hoặc sạc BESS. Khi bức xạ giảm hoặc nhu cầu tải tăng, BESS có thể xả điện để hỗ trợ hệ thống.

Điều này tạo ra nhiều trạng thái vận hành khác nhau. Do đó, việc đánh giá chất lượng điện năng nên được thực hiện trên toàn bộ hệ thống thay vì chỉ kiểm tra riêng từng thiết bị.

AHF trong BESS kết hợp trạm sạc xe điện

BESS cũng ngày càng được sử dụng cùng trạm sạc xe điện để giảm áp lực lên lưới điện và hỗ trợ cung cấp công suất trong thời điểm nhu cầu sạc cao.

Trong mô hình này, hệ thống có thể đồng thời bao gồm:

• Lưới điện.
• BESS.
• PCS.
• Trạm sạc EV.
• Hệ thống EMS.
• Nguồn năng lượng mặt trời.
• AHF.

Mỗi thành phần có vai trò riêng. AHF không quản lý quá trình sạc pin hay phân bổ năng lượng mà tập trung vào việc xử lý dòng điện hài khi cần thiết.

Có nên lắp AHF cho mọi hệ thống BESS?

Không nhất thiết.

Việc lắp AHF cần dựa trên kết quả khảo sát thực tế và yêu cầu kỹ thuật của hệ thống. Nếu chất lượng điện năng đã đáp ứng yêu cầu và mức sóng hài nằm trong giới hạn cho phép, việc bổ sung AHF có thể không mang lại hiệu quả đầu tư tương xứng.

Ngược lại, đối với BESS công suất lớn, nhiều PCS, điểm đấu nối có yêu cầu nghiêm ngặt hoặc hệ thống đã xuất hiện vấn đề về sóng hài, AHF có thể là một giải pháp đáng cân nhắc.

Kết luận

AHF trong hệ thống BESS không có chức năng lưu trữ hay chuyển đổi năng lượng như pin và PCS. Vai trò của AHF là hỗ trợ xử lý các thành phần dòng điện sóng hài trong hệ thống điện khi kết quả khảo sát cho thấy cần thiết.

Đặc biệt với các hệ thống BESS công suất lớn, nhiều PCS hoặc được tích hợp cùng điện mặt trời và trạm sạc xe điện, chất lượng điện năng cần được đánh giá ngay từ giai đoạn thiết kế.

Giải pháp phù hợp không nhất thiết là lắp thiết bị có công suất lớn nhất, mà là đo đúng, xác định đúng nguồn gây sóng hài, lựa chọn đúng vị trí và tính toán đúng công suất AHF. Cách tiếp cận này giúp hệ thống BESS vận hành ổn định, tối ưu chi phí đầu tư và sẵn sàng mở rộng trong tương lai.