Các chiến lược quản lý năng lượng thông minh cho các trung tâm lưu trữ năng lượng pin hiện đại

Câu trả lời nhanh

Một trạm sạc lưu trữ năng lượng pin (BESS) hiện đại thành công hay thất bại phụ thuộc vào chiến lược quản lý năng lượng, chứ không phải phần cứng. Quản lý năng lượng thông minh sử dụng hệ thống quản lý năng lượng (EMS) cấp trạm để liên tục quyết định thời điểm sạc pin, phân bổ công suất giữa các bộ sạc và thời điểm xả pin để giảm tải đỉnh, chuyển đổi tải hoặc đáp ứng nhu cầu. Ba chiến lược có tác động đo lường được cao nhất là điều độ giảm tải đỉnh, giới hạn công suất sạc động thông qua OCPP 2.0.1 và lập lịch dựa trên giá cả khai thác chênh lệch giá cước. Khi được triển khai cùng nhau, chúng giúp giảm chi phí năng lượng tại trạm từ 20–40%, bảo vệ bộ sạc khỏi các giới hạn của lưới điện và tạo ra doanh thu mới từ các chương trình của công ty điện lực. Bài viết này giải thích hệ thống phân cấp EMS, các chiến lược cốt lõi và các giao thức giúp tự động hóa trở nên đáng tin cậy ở quy mô trạm.

Những điểm chính cần ghi nhớ

• Hệ thống quản lý năng lượng (EMS) là bộ não điều khiển liên kết pin, bộ sạc, hệ thống quang điện và biểu giá điện lưới thành một bài toán tối ưu hóa duy nhất.
• Giảm tải giờ cao điểm là chiến lược mang lại giá trị cao nhất: giới hạn khung thời gian tiêu thụ điện 15 phút sẽ cắt giảm khoản mục phí lớn nhất.
• Quản lý tải động (DLM) cho phép kết nối lưới điện có công suất nhỏ phục vụ cho số lượng trạm sạc có công suất lớn hơn mức cần thiết.
• Lập lịch dựa trên giá cả và phản ứng theo nhu cầu biến kho lưu trữ thành một tài sản tạo ra doanh thu, chứ không chỉ là một công cụ tránh chi phí.
• Khả năng tương tác giữa OCPP 2.0.1, ISO 15118 và IEC 61851 là nền tảng không thể thiếu của điều khiển tự động.

Điều gì làm cho một trạm sạc trở nên “thông minh” ngày nay?

Mười năm trước, một trạm sạc xe điện là một tập hợp các bộ sạc được kết nối với một đồng hồ đo điện. Mỗi bộ sạc tự động đàm phán công suất với xe, trạm sẽ lấy bất kỳ công suất đỉnh nào mà nó tiêu thụ, và người vận hành sẽ tổng kết thiệt hại vào cuối tháng. Một trung tâm lưu trữ năng lượng pin thông minh (BESS) có cấu trúc khác biệt: mọi dòng điện đều được đo lường, mọi quyết định đều được tối ưu hóa, và trạm hoạt động như một tài sản duy nhất có thể điều khiển được.

Các khả năng nổi bật của một trung tâm điều khiển thông minh bao gồm:

1. Đo lường thời gian thựcbao gồm tải trọng tại địa điểm lắp đặt, trạng thái sạc của pin (SoC), công suất bộ sạc và—nếu có—sản lượng điện mặt trời. 2.Dự báovề nhu cầu xe cộ, sản lượng năng lượng mặt trời và các khung giá cước. 3.Tối ưu hóaGiải pháp tối ưu hóa chi phí hoặc doanh thu trong phạm vi các ràng buộc về mặt vật lý và hợp đồng. 4.Thực thinó gửi tín hiệu điều khiển đến bộ sạc, bộ chuyển đổi nguồn pin (PCS) và điểm kết nối lưới điện. 5.Sự tuân thủbao gồm các thỏa thuận kết nối lưới điện, quy tắc đo lường và yêu cầu về an ninh mạng.

Một trung tâm năng lượng thiếu những khả năng này chỉ đơn giản là một trạm sạc lớn hơn. Với những khả năng đó, nó trở thành một tài sản năng lượng mà người vận hành có thể hứa với công ty điện lực về một hồ sơ phụ tải ổn định và thực hiện được điều đó.

Cấu trúc phân cấp EMS: Bộ điều khiển tại chỗ, Mạng lưới trạm sạc, Cổng lưới điện

Quản lý năng lượng thông minh hoạt động ở ba lớp lồng nhau, và các triển khai tốt nhất duy trì sự phối hợp nhịp nhàng giữa cả ba lớp:

Lớp 1 — Bộ điều khiển trang web (EMS).Hệ thống quản lý năng lượng (EMS) đóng vai trò là bộ phận ra quyết định. Nó tiếp nhận dữ liệu về giá cước, các thông số về tình trạng pin, trạng thái bộ sạc và các dữ liệu dự báo, sau đó đưa ra kế hoạch điều phối: các điểm đặt sạc/xả pin, giới hạn công suất cho mỗi bộ sạc và mục tiêu nhập khẩu điện từ lưới điện. Các nền tảng EMS thương mại cập nhật kế hoạch này sau mỗi 1-15 phút, tùy thuộc vào biến động thị trường.

Lớp 2 — Mạng lưới trạm sạc.Bộ sạc thực hiện kế hoạch thông qua OCPP. Trong OCPP 2.0.1, EMS có thể đặt giới hạn công suất động cho mỗi phiên sạc trong thời gian thực, điều chỉnh công suất từng phiên để giữ cho trạm sạc hoạt động trong giới hạn cho phép. Đây là cơ chế biến kết nối 500 kVA thành trung tâm sạc có khả năng 960 kW: bộ sạc hoạt động ở công suất tối đa khi pin cạn kiệt và giảm công suất khi pin không cạn kiệt.

Lớp 3 — Cạnh lưới.Điểm kết nối báo cáo dữ liệu đồng hồ đo và, trong các chương trình lưới điện thông minh, nhận các tín hiệu bên ngoài—các sự kiện phản hồi nhu cầu, đấu giá công suất hoặc các xung giá theo thời gian sử dụng. Hệ thống quản lý năng lượng (EMS) coi những tín hiệu này là các ràng buộc hoặc đầu vào giá trong quá trình tối ưu hóa của nó.

Lỗi cần tránh là sự điều khiển riêng lẻ: nếu pin được quản lý bởi một nhà cung cấp, bộ sạc bởi một nhà cung cấp khác và hệ thống năng lượng mặt trời bởi một nhà cung cấp thứ ba, thì sẽ không có một hệ thống tối ưu hóa duy nhất nào tồn tại. Đó là lý do tại sao các nền tảng trạm sạc [BESS](https://www.midapower.com/bess-charging-station/) tích hợp—trong đó hệ thống quản lý năng lượng (EMS) được tích hợp cùng với pin và bộ sạc—luôn mang lại kết quả tốt hơn so với các hệ thống riêng lẻ được lắp ráp tại chỗ.

Quản lý tải: Giảm tải giờ cao điểm và chuyển dịch tải

Hai chiến lược chủ đạo trong quản lý năng lượng của trung tâm BESS là giảm tải đỉnh và dịch chuyển tải. Chúng thường bị nhầm lẫn, nhưng thực chất nhắm đến các thành phần biểu giá khác nhau.

Cạo đỉnhHệ thống quản lý năng lượng (EMS) giới hạn nhu cầu điện lưới tối đa 15 phút của trạm sạc. EMS theo dõi cửa sổ nhu cầu điện luân chuyển; khi nhu cầu điện cao điểm dự kiến ​​gần đạt đến giới hạn, nó sẽ xả pin ở mức công suất cần thiết. Lợi ích là tránh được phí phụ thu do nhu cầu điện tăng cao – thường là khoản chi phí lớn nhất có thể kiểm soát được trong hóa đơn của trạm sạc. Tại một trạm sạc có công suất đỉnh 1,2 MW và mức giá 15 USD/kW, việc giảm 300 kW điện năng sẽ tiết kiệm được 54.000 USD mỗi năm.

Chuyển tảiHệ thống này phân bổ mức tiêu thụ năng lượng theo thời gian. Pin được sạc trong giờ thấp điểm (khi giá năng lượng là 0,03–0,06 USD/kWh) và cung cấp năng lượng cho bộ sạc trong giờ cao điểm (khi giá năng lượng là 0,15–0,30 USD/kWh). Lợi ích là giảm chi phí năng lượng, cộng thêm doanh thu chênh lệch giá ở một số thị trường.

Bảng dưới đây so sánh các chiến lược theo mục tiêu, yếu tố kích hoạt kiểm soát và mức tiết kiệm điển hình:

Một hệ thống quản lý năng lượng (EMS) được tinh chỉnh tốt sẽ đồng thời thực hiện nhiều chức năng này: giảm tải đỉnh, chuyển tải giữa các khung giá cước và phản hồi các sự kiện điều chỉnh nhu cầu (DR) khi giá cả phù hợp.

Ứng phó nhu cầu và V2G: Lưu trữ như một tài sản của lưới điện

Ngoài công tơ điện, trung tâm lưu trữ năng lượng pin (BESS) có thể tham gia vào các dịch vụ lưới điện để được trả tiền cho tính linh hoạt. Các chương trình phản ứng nhu cầu (DR) trả tiền cho các địa điểm để giảm mức tiêu thụ – hoặc xuất khẩu điện – khi lưới điện bị quá tải. Một hệ thống BESS có công suất 240 kW có thể giảm tải trong bốn giờ tương đương với gần 1 MWh điện năng có thể điều chỉnh, trị giá từ 12.000 đến 36.000 đô la mỗi năm tại các thị trường DR đang hoạt động.

Công nghệ xe-lưới (V2G) mở rộng cùng một logic đó cho chính đội xe tải hoặc xe buýt. Với bộ sạc hai chiều và các phương tiện hỗ trợ tiêu chuẩn ISO 15118, một trạm trung chuyển có thể tập hợp pin của các phương tiện đang đỗ thành một nhà máy điện ảo. Việc vận hành này phức tạp hơn – cần phải tuân thủ các hạn chế về khả năng hoạt động của đội xe – nhưng nó chuyển đổi tài sản chưa được sử dụng hiệu quả nhất (pin của đội xe đang đỗ) thành doanh thu. Hầu hết các nhà khai thác đều triển khai V2G sau khi đã chứng minh được hiệu quả trong việc giảm tải giờ cao điểm và quản lý nhu cầu (DR), vì những công nghệ này không yêu cầu sự hợp tác từ phía phương tiện.

Lập kế hoạch và điều khiển dự đoán dựa trên trí tuệ nhân tạo

Hệ thống quản lý năng lượng (EMS) dựa trên quy tắc tĩnh—"xả điện từ 4 giờ chiều đến 9 giờ tối"—sẽ bỏ phí nguồn vốn vì nhu cầu thực tế và giá cả thay đổi hàng ngày. Điều khiển dự đoán bổ sung thêm khả năng dự báo: EMS dự đoán nhu cầu sạc điện ngày mai từ dữ liệu viễn thông của đội xe, sản lượng điện mặt trời từ dữ liệu thời tiết và giá cả từ lịch biểu giá, sau đó tối ưu hóa kế hoạch sử dụng pin trong toàn bộ thời gian dự báo.

Những cải tiến dựa trên học máy còn tiến xa hơn, học hỏi các mô hình hoạt động hàng tuần của một địa điểm và tự động điều chỉnh chính sách điều phối. Các kết quả đo lường được tại các trung tâm điều hành bao gồm:

• Giảm chi phí thêm 10–20%thông qua việc điều phối dựa trên quy tắc, từ việc tối ưu hóa thời gian chu kỳ pin;
• Số chu kỳ sạc pin ít hơn trên mỗi kilowatt-giờ được cung cấp, kéo dài tuổi thọ chu kỳ bằng cách điều chỉnh công suất xả phù hợp với tải thực tế;
• Tuân thủ giới hạn đỉnh được cải thiệntrong những ngày bất thường (ngày lễ, sóng nhiệt, sự kiện) mà các quy tắc bị bỏ qua.

Đối với một trạm sạc BESS [2 MWh 960 kW](https://www.midapower.com/2mwh-960kw-bess-charging-station-megawatt-ev-charger-solar-battery-storage-system-product/), nơi mà chỉ một chu kỳ sạc không đúng thời điểm cũng có thể gây thiệt hại hàng trăm đô la do suy giảm hiệu suất cộng với việc vượt quá nhu cầu, điều khiển dự đoán không phải là một thứ xa xỉ mà là tiêu chuẩn vận hành.

Khả năng tương tác giữa các giao thức: OCPP 2.0.1 và ISO 15118

Mọi chiến lược thông minh được mô tả ở trên đều phụ thuộc vào việc hệ thống EMS có thể giao tiếp bằng một ngôn ngữ chung với bộ sạc và xe. Ba giao thức xác định ngôn ngữ đó:

• OCPP 2.0.1— tiêu chuẩn kết nối bộ sạc với hệ thống phụ trợ. Chức năng SmartCharging của nó cho phép EMS thiết lập giới hạn công suất cho mỗi phiên, kiểm soát giao dịch và quản lý thiết bị từ xa. Nó thay thế OCPP 1.6J cho các hub mới nhờ tính bảo mật tốt hơn (TLS), khả năng xử lý lỗi tốt hơn và chức năng sạc thông minh tích hợp sẵn.
• ISO 15118— tiêu chuẩn kết nối xe với bộ sạc. Plug & Charge xác thực xe và giao thức này truyền trạng thái pin và các giới hạn sạc của xe đến hệ thống quản lý năng lượng (EMS), cho phép các phiên sạc được tối ưu hóa thực sự thay vì sạc với tốc độ cố định.
• IEC 61851— tiêu chuẩn tín hiệu EVSE cơ bản mà mọi bộ sạc hiện đại đều thực hiện, và là tiêu chuẩn mở rộng của OCPP và ISO 15118.

Việc chỉ định cả ba yếu tố này tại thời điểm mua sắm là chính sách bảo hiểm rẻ nhất mà chủ sở hữu trung tâm có thể mua. Nó đảm bảo rằng [Hệ thống lưu trữ năng lượng pin cho cơ sở hạ tầng xe điện](https://www.midapower.com/news/bess-for-ev-infrastructure-fast-flexible-and-grid-friendly-ultra-fast-charging-solutions/) có thể được vận hành bởi bất kỳ hệ thống quản lý năng lượng hiện đại nào, có thể tham gia các chương trình đáp ứng nhu cầu (DR) trong tương lai và có thể chấp nhận xe từ bất kỳ nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) nào mà không cần các giải pháp thay thế bằng bộ chuyển đổi.

Phần kết luận

Quản lý năng lượng thông minh là yếu tố phân biệt một trung tâm lưu trữ năng lượng pin (BESS) với một đống pin đơn thuần. Hệ thống quản lý năng lượng (EMS) – được trang bị logic giảm tải đỉnh, quản lý tải động, lập lịch trình dựa trên biểu giá và các giao thức mở – biến hệ thống lưu trữ thành một cỗ máy giảm chi phí và tăng doanh thu, đồng thời đảm bảo cung cấp điện cho mọi trạm sạc. Các nhà điều hành nên ưu tiên nền tảng tích hợp hơn là lựa chọn từng thành phần riêng lẻ, chuẩn hóa theo OCPP 2.0.1 và ISO 15118, và bắt đầu với việc giảm tải đỉnh trước khi kết hợp thêm các yếu tố như chênh lệch giá, quản lý nhu cầu (DR) và cuối cùng là V2G. Chiến lược này đã được chứng minh, có thể đo lường được và ngày càng tạo nên sự khác biệt giữa một trạm sạc chỉ tồn tại được trong môi trường biểu giá hiện tại và một trạm sạc phát triển mạnh mẽ trong đó.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống quản lý năng lượng (EMS) thực sự làm gì trong trạm sạc BESS?Hệ thống quản lý năng lượng (EMS) liên tục quyết định thời điểm sạc pin, lượng điện năng mà mỗi bộ sạc được phép tiêu thụ và thời điểm xả pin—tối ưu hóa dựa trên các khung giờ biểu giá, giới hạn điện lưới và nhu cầu của xe. Nó là bộ não phần mềm của trung tâm điều khiển.

2. Quản lý năng lượng thông minh có thể tiết kiệm được bao nhiêu chi phí tại trạm sạc?Kết quả điển hình là tổng chi phí năng lượng giảm 20–40%, với mức giảm phí theo nhu cầu từ 30–50% và chi phí năng lượng giảm 10–25% nhờ chuyển đổi tải. Mức tiết kiệm tỷ lệ thuận với mức độ cạnh tranh của biểu giá.

3. Sự khác biệt giữa giảm tải đỉnh và dịch chuyển tải là gì?Giảm tải đỉnh điểm giới hạn mức tiêu thụ điện cao nhất trong 15 phút để giảm phí sử dụng điện; dịch chuyển tải chuyển việc tiêu thụ năng lượng sang các khung giờ biểu giá rẻ hơn để giảm phí năng lượng. Cả hai đều sử dụng pin, nhưng chúng giải quyết các thành phần khác nhau trong hóa đơn.

4. Tôi có cần OCPP 2.0.1 không, hay 1.6J là đủ?OCPP 2.0.1 được khuyến nghị mạnh mẽ cho các hub mới: nó bổ sung bảo mật TLS, sạc thông minh tích hợp và quản lý thiết bị tốt hơn. OCPP 1.6J vẫn ổn cho việc nâng cấp nhưng hạn chế khả năng tự động hóa và tham gia DR trong tương lai.

5. Làm thế nào mà quản lý tải động cho phép tôi lắp đặt bộ sạc có công suất lớn hơn mức cần thiết?Hệ thống EMS giới hạn tổng công suất của toàn bộ trạm sạc ở mức công suất kết nối lưới và ưu tiên các phiên sạc, do đó, kết nối 500 kVA có thể cung cấp 960 kW công suất cho mỗi bộ sạc—mỗi bộ sạc hoạt động ở công suất tối đa miễn là tổng công suất vẫn nằm dưới mức giới hạn cho phép.

6. Trung tâm lưu trữ năng lượng pin (BESS) có thể kiếm tiền từ việc đáp ứng nhu cầu sử dụng điện không?Đúng vậy, ở những nơi có sẵn hệ thống tổng hợp. Một pin 240 kW có thể cung cấp khoảng 1 MWh trong sự kiện kéo dài bốn giờ, mang lại lợi nhuận từ 50 đến 150 đô la Mỹ/kW/năm tại các thị trường quản lý nhu cầu (DR) đang hoạt động.

7. Liệu việc kết nối xe với lưới điện có khả thi tại các trạm bảo dưỡng xe hiện nay?Ngày càng phổ biến với bộ sạc hai chiều và xe đạt chuẩn ISO 15118, nhưng điều này làm tăng thêm độ phức tạp trong vận hành. Hầu hết các nhà khai thác triển khai V2G sau khi đã thiết lập hệ thống giảm tải đỉnh và quản lý nhu cầu (DR), coi pin của đội xe đang đỗ như một phần mở rộng của hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) tại địa điểm đó.