CẤU TẠO HỆ THỐNG BESS: TỪ CELL PIN ĐẾN BỘ HÒA LƯỚI VÀ TỦ ATS
Cấu tạo hệ thống BESS là yếu tố quyết định đến hiệu suất, độ ổn định và tính an toàn của toàn bộ giải pháp lưu trữ điện. Từ cell pin lithium, hệ thống BMS, đến inverter công suất lớn và tủ ATS, mỗi thành phần đều đóng vai trò then chốt, tạo nên một hệ thống tích hợp vận hành linh hoạt và thông minh.
1. GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ CẤU TẠO HỆ THỐNG BESS
1.1 Vai trò của kiến trúc hệ thống BESS trong lưu trữ điện hiện đại
Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (Battery Energy Storage System – BESS) là một tổ hợp các thành phần điện – điện tử hoạt động phối hợp để thực hiện nhiệm vụ: lưu trữ điện năng, cung cấp điện ổn định, và hỗ trợ điều độ công suất cho các hệ thống lưới hoặc phụ tải độc lập.
Cấu tạo hệ thống BESS hiện đại không chỉ đơn thuần gồm các ngăn pin, mà còn tích hợp:
- Các cell pin lithium cấu hình dạng module hoặc rack
- Bộ hệ thống BMS nhiều tầng (Module BMS – Rack BMS – Master BMS)
- Bộ chuyển đổi công suất (PCS/ inverter công suất lớn)
- Tủ hòa lưới điện (AC switchgear), tủ ATS (Automatic Transfer Switch)
- Hệ thống điều khiển trung tâm EMS/SCADA, thiết bị đo lường, cảm biến nhiệt, áp, dòng
1.2 Ứng dụng đa ngành dựa trên cấu trúc BESS
- Nhà máy công nghiệp: lưu trữ năng lượng giờ thấp điểm, bù đỉnh tải
- Trang trại điện mặt trời – gió: lưu trữ điện dư, hòa lưới, hỗ trợ tần số
- Trạm sạc xe điện: phân phối tải, tránh quá công suất hợp đồng
- Trung tâm dữ liệu: nguồn dự phòng tức thời (instant backup) thay thế máy phát
2. CẤU TẠO CHI TIẾT HỆ THỐNG BESS THEO CẤP THÀNH PHẦN
2.1 Cell pin lithium – đơn vị lưu trữ năng lượng cơ bản
Các cell pin lithium sử dụng phổ biến trong BESS hiện nay gồm hai loại chính:
- LFP (LiFePO₄): điện áp danh định 3.2V/cell, mật độ năng lượng ~140 Wh/kg, an toàn nhiệt tốt
- NMC (LiNiMnCoO₂): 3.6–3.7V/cell, mật độ ~200 Wh/kg, phù hợp tải lớn
Các cell được cấu hình thành:
- Module: thường từ 12–16 cell nối tiếp (N), dòng định mức 100–280Ah
- Rack: gồm nhiều module song song, tổng dung lượng từ 50kWh – 300kWh
- Tủ pin (battery cabinet): chứa 2–4 rack, tích hợp cảm biến, CB, cổng truyền thông
Thông số kỹ thuật phổ biến:
Loại cell | Điện áp danh định | Dung lượng | Chu kỳ sạc-xả | Nhiệt độ hoạt động |
LFP 280Ah | 3.2V | 280Ah | >6000 chu kỳ (80% DOD) | -20 ~ 55°C |
NMC 100Ah | 3.7V | 100Ah | ~4000 chu kỳ | -10 ~ 50°C |
2.2 Hệ thống BMS – trung tâm điều phối và bảo vệ pin
Hệ thống BMS (Battery Management System) đóng vai trò giám sát và điều khiển an toàn toàn bộ khối pin.
Chức năng chính:
- Đo điện áp, dòng, nhiệt độ từng cell và module
- Cân bằng SOC giữa các cell/module (passive hoặc active balancing)
- Cảnh báo và ngắt sạc/xả khi vượt giới hạn
- Giao tiếp với inverter, EMS qua CAN/RS485/Modbus TCP
- Lưu trữ dữ liệu vận hành: SOC, SOH, SOE, Cycle count
Kiến trúc phân cấp:
- Module BMS (mBMS): gắn tại từng module, đo thông số cell
- Rack BMS (rBMS): tập hợp dữ liệu từ mBMS, kiểm soát dòng tải
- Master BMS (mBMS hoặc cBMS): tổng hợp và gửi lệnh điều khiển đến PCS/EMS
Thông số điển hình của hệ thống BMS công nghiệp:
Mục | Giá trị tiêu chuẩn |
Độ chính xác đo điện áp | ±5 mV |
Tốc độ lấy mẫu | ≥1Hz |
Giao thức | CAN 2.0B, Modbus RTU, TCP/IP |
Số lượng cell hỗ trợ | ≥1024 cell / hệ thống |
Hệ thống cân bằng | passive 100–200mA/cell, active >1A |
2.3 Inverter công suất lớn – bộ chuyển đổi dòng năng động
Inverter công suất lớn (PCS) là thiết bị trung tâm chuyển đổi điện DC từ bộ pin sang AC để hòa lưới hoặc cấp tải.
Chức năng:
- Biến đổi dòng điện DC thành AC dạng hình sin chuẩn
- Điều chỉnh công suất theo tín hiệu EMS/SCADA
- Hỗ trợ vận hành grid-following, grid-forming, điều tần, điều áp
- Hỗ trợ tự động chuyển đổi giữa chế độ nối lưới – độc lập (islanding)
Thông số kỹ thuật phổ biến:
Công suất | Hiệu suất chuyển đổi | THD đầu ra | Thời gian phản hồi | Giao tiếp |
250kW – 2.5MW | ≥97.5% | <3% | <150ms | Modbus, CAN, TCP |
Các inverter hiện đại tích hợp:
- Hệ số công suất có thể điều chỉnh: ±0.9
- Chế độ tự điều áp (VSG – Virtual Synchronous Generator)
- Tính năng black start, hỗ trợ khởi động sau mất lưới
- Bộ lọc sóng hài tích hợp, giảm ảnh hưởng đến lưới điện
2.4 TỦ ATS VÀ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI ĐIỆN TỰ ĐỘNG
Tủ ATS (Automatic Transfer Switch) là thiết bị quan trọng trong cấu tạo hệ thống BESS, đóng vai trò tự động chuyển nguồn cấp giữa hệ thống pin và lưới điện, hoặc giữa nguồn chính và nguồn dự phòng (diesel).
Các chức năng chính:
- Giám sát liên tục tình trạng điện áp, tần số và mất pha của nguồn lưới
- Tự động chuyển sang nguồn BESS khi mất điện, đảm bảo dòng điện liên tục
- Hỗ trợ chuyển đổi giữa chế độ vận hành song song hoặc độc lập
- Tích hợp giao tiếp với EMS hoặc SCADA để kích hoạt chuyển mạch theo thời gian thực
Cấu hình kỹ thuật tiêu biểu:
Thông số | Giá trị |
Dòng định mức | 100A – 2500A |
Thời gian chuyển mạch | <200ms (đối với ATS loại nhanh) |
Cấp cách điện | 690VAC |
Cấp bảo vệ | IP42 – IP65 tùy vị trí |
Cấu hình tiếp điểm | 2P/3P/4P – loại thường mở hoặc thường đóng |
Tích hợp | PLC điều khiển, màn hình HMI, cảnh báo lỗi, lịch sử chuyển nguồn |
2.5 Hệ thống phụ trợ (phụ kiện đồng bộ)
Các thành phần phụ nhưng đóng vai trò không thể thiếu trong cấu tạo hệ thống BESS:
- Tủ AC/DC: chứa cầu dao, aptomat, cầu chì, CB, SPD (bảo vệ quá áp)
- Cảm biến nhiệt độ – dòng điện: giám sát cell, module, inverter, ATS
- Máy làm mát cưỡng bức hoặc tản nhiệt nước (liquid cooling)
- Bộ lưu điện UPS cho BMS/SCADA để tránh mất tín hiệu khi xảy ra lỗi lưới
- Đồng hồ đo điện áp/dòng/điện năng (smart meter) tích hợp truyền thông
3. SƠ ĐỒ KẾT NỐI TỔNG THỂ CỦA HỆ THỐNG BESS
3.1 Sơ đồ cấu trúc dòng điện
3.2 Chu trình dữ liệu điều khiển
- Cell pin lithium gửi dữ liệu điện áp – nhiệt độ đến Module BMS
- Module BMS truyền dữ liệu lên Rack BMS → Master BMS
- Master BMS xử lý và gửi tín hiệu điều khiển xả/sạc đến inverter
- Inverter phản hồi trạng thái hoạt động lên SCADA
- SCADA/EMS gửi lệnh điều phối theo nhu cầu tải hoặc lệnh lưới
- Nếu lưới mất, SCADA ra lệnh ATS chuyển tải sang inverter
3.3 Mối liên hệ giữa các thành phần
Thành phần | Liên kết đến | Giao tiếp chính | Tác dụng |
Cell pin lithium | Module BMS | analog / bus nội bộ | Đo điện áp, nhiệt độ |
Hệ thống BMS | Inverter, EMS | CAN, RS485 | Giám sát pin, bảo vệ |
Inverter công suất lớn | Lưới, ATS | Modbus TCP, SCADA | Biến đổi công suất |
ATS | Lưới, BESS, tải | I/O dry contact | Chuyển mạch nguồn |
EMS | Tất cả | Ethernet, MQTT | Điều khiển, tối ưu năng lượng |
4. CÁC TIÊU CHUẨN KỸ THUẬT ÁP DỤNG TRONG CẤU TẠO HỆ THỐNG BESS
4.1 Các chỉ số cần đảm bảo trong thiết kế và cấu hình
Tham số | Mức khuyến nghị |
Hiệu suất inverter | ≥ 97.5% |
ESR cell pin lithium | < 0.5 mΩ |
Sai số đo cảm biến nhiệt độ | < ±1°C |
SOC deviation giữa các rack | < 5% |
Độ trễ phản hồi từ BMS đến PCS | < 100ms |
Tần số đầu ra AC | ±0.5Hz |
Độ ổn định khi chuyển ATS | Thời gian chuyển < 200ms |
Độ méo hài tổng (THD) | < 3% |
4.2 Các tiêu chuẩn quốc tế áp dụng
- IEC 62619 – An toàn cho cell lithium trong ứng dụng công nghiệp
- IEC 62933-5-1 – Hướng dẫn thiết kế, kiểm định cấu trúc hệ thống lưu trữ
- IEC 62109-1/-2 – An toàn điện và EMC cho inverter
- UL 9540A – Kiểm soát cháy nổ và truyền nhiệt hệ thống BESS
- IEEE 2030.5 / 1547.1 – Chuẩn truyền thông, tương thích điều độ từ xa
5. ỨNG DỤNG THỰC TẾ CỦA HỆ THỐNG BESS THEO CẤU TRÚC THÀNH PHẦN
5.1 Nhà máy sản xuất theo ca 24/7
- Ứng dụng BESS với cấu hình cell LFP 280Ah, dung lượng tổng 1.5MWh
- Kết hợp inverter 500kW – 3 pha – tích hợp EMS điều phối theo khung giờ sản xuất
- Hệ thống BMS tự động cân bằng SOC giữa các rack, bảo vệ ngắt xả khi dòng vượt 1C
- Tủ ATS kích hoạt chuyển nguồn trong 200ms khi lưới mất điện
- Kết quả: tiết kiệm chi phí điện giờ cao điểm ~22%, nâng độ ổn định tải CNC lên 99.95%
5.2 Trang trại điện mặt trời 5MWp tại khu vực hạ tầng yếu
- BESS 2.5MWh dùng cell pin lithium NMC, mật độ cao, hỗ trợ discharge nhanh
- Tích hợp inverter công suất lớn grid-forming, hỗ trợ khởi động lại lưới khu vực
- ATS dùng chuyển đổi giữa lưới – inverter – máy phát dầu dự phòng
- EMS sử dụng AI để dự báo sản lượng – SOC và điều khiển tải theo thời tiết
- Hiệu quả: duy trì ổn định điện áp khu vực ±5%, giảm tổn thất điện mặt trời ban ngày đến 35%
5.3 Trung tâm dữ liệu quy mô lớn
- BESS đóng vai trò UPS quy mô lớn, dùng 12 tủ rack pin LFP, tổng dung lượng 3MWh
- Hệ thống BMS theo dõi từng cell đến từng miliVolt, sai lệch SOC <3%
- Inverter công suất lớn hỗ trợ chuyển mạch trong 50ms khi mất điện lưới
- Tủ ATS 4P – 1600A tự động chuyển tải giữa 3 nguồn: pin – lưới – máy phát
- EMS có log SOC/SOH/SOE từng phút, cảnh báo sớm khi điện áp cell lệch
6. THƯƠNG HIỆU TOÀN CẦU CUNG CẤP THIẾT BỊ THEO PHÂN KHÚC
6.1 Phân khúc cao cấp – FLUENCE (Mỹ)
- Cung cấp toàn bộ hệ thống BESS container hóa (5MWh – 40MWh)
- Dòng inverter công suất lớn từ 1MW đến 5MW, hỗ trợ VSG, grid-forming
- Cell pin lithium LFP chuẩn UL9540A, thiết kế theo mô-đun 314Ah
- Hệ thống BMS đa tầng tích hợp AI phân tích lỗi sớm
- Tủ ATS và SCADA hỗ trợ ISO/IEC 61850 – triển khai tại Trung Đông, Châu Âu
6.2 Phân khúc trung cấp – SUNGROW (Trung Quốc)
- BESS module 250kW – 2.5MWh, tích hợp inverter PCS đa chế độ
- Hệ thống BMS active balancing, hỗ trợ cảnh báo SOC/SOH/SOE theo thời gian thực
- Tủ ATS tích hợp trong container BESS, thời gian phản ứng nhanh
- Cell pin lithium 280Ah LFP – hiệu suất >95%, độ ổn định cao
- Được sử dụng nhiều tại Đông Nam Á và Châu Phi
6.3 Phân khúc phổ thông – PYLONTECH (Trung Quốc)
- Hệ thống stack 48V – 100Ah, phù hợp nhà máy nhỏ và EV charging hub
- Giao diện BMS system đơn giản, hỗ trợ kết nối inverter đa dạng
- Inverter công suất lớn đến 100kW, dễ lắp đặt, giá hợp lý
- Cell pin lithium nhỏ gọn, thay thế linh hoạt, chi phí thấp
- Dễ dàng tích hợp ATS 2P/3P, phù hợp với các khu vực vùng sâu
7. TẠI SAO CHỌN ETEK KHI TRIỂN KHAI HỆ THỐNG BESS TOÀN DIỆN
7.1 Kinh nghiệm thực chiến trong cấu hình và lắp đặt quốc tế
- Triển khai hơn 120 hệ thống BESS tại Đông Nam Á, Trung Đông và Châu Phi
- Tùy biến cấu hình theo ngành nghề: thực phẩm, điện tử, EV, năng lượng tái tạo
- Kết nối cell pin lithium từ nhiều thương hiệu vào hệ thống BMS đa giao thức
- Đồng bộ inverter từ 3 nhà sản xuất trong cùng một trạm hybrid
7.2 Thiết kế tổng thể đồng bộ – đáp ứng yêu cầu lưới và tải
- Hỗ trợ SCADA/EMS tích hợp dữ liệu thời gian thực
- Thiết kế sơ đồ kết nối tủ ATS, inverter, BMS và tủ AC theo chuẩn IEC
- Sử dụng công cụ mô phỏng để kiểm tra logic chuyển đổi nguồn, phân tích dòng quá độ
- Hệ thống đo lường, cảnh báo, lịch bảo trì tích hợp trên cloud
7.3 Dịch vụ hỗ trợ lâu dài – dự phòng và nâng cấp
- Kho thiết bị sẵn có: cell pin lithium, module BMS, inverter, tủ ATS
- Phần mềm phân tích SOH, ESR, dự đoán lỗi cell pin
- Hợp đồng bảo trì định kỳ 12–24–36 tháng tùy cấu hình hệ thống
- Đào tạo chuyển giao kỹ thuật cho đội ngũ vận hành địa phương
Bài viết liên quan: