Hai ngôi nhà có thể có các tấm quang điện và pin tương tự nhau nhưng phản ứng rất khác khi điện lưới gặp sự cố. Một nhà mất điện. Nhà khác vẫn giữ được một vài mạch thiết yếu hoạt động. Tại một địa điểm xa không có kết nối lưới điện công cộng, cùng sự kiện đó lại không liên quan vì địa điểm vốn đã vận hành trên mạng điện riêng của mình.
Sự khác biệt không chỉ là kích thước pin. On-grid, off-grid và hybrid mô tả các quan hệ khác nhau với lưới điện công cộng. Để hiểu chúng, hãy đặt ba câu hỏi: Lưới có hiện diện trong vận hành bình thường không? Khi lưới vắng mặt, cái gì thiết lập điện áp và tần số? Những nguồn năng lượng nào có thể tiếp tục cấp cho tải?
Lưu trữ on-grid hoạt động cùng lưới điện công cộng
Một hệ thống on-grid, hay nối lưới, vận hành song song với mạng điện công cộng. Lưới cung cấp điện áp và tần số AC đã được thiết lập để thiết bị bám lưới đồng bộ theo. Nó cũng bù phần chênh lệch giữa cung và cầu tại chỗ: một địa điểm có thể nhập điện khi sản lượng mặt trời và pin không đủ, và có thể xuất điện dư nếu quy định địa phương cho phép.
Một bộ pin on-grid có thể lưu trữ điện mặt trời dư thừa, dịch chuyển tiêu thụ sang thời điểm khác hoặc phản hồi theo lịch vận hành. Vì vậy, “on-grid” không có nghĩa là “điện mặt trời không có pin”. Nó có nghĩa hệ thống lưu trữ được thiết kế để tương tác với một mạng điện công cộng sẵn có trong vận hành bình thường.
Kết nối đó không tự động mang lại dự phòng. U.S. Department of Energy giải thích rằng các biến tần bám lưới truyền thống dùng lưới làm tham chiếu dạng sóng và ngắt kết nối khi nhiễu loạn vượt đủ xa khỏi phạm vi cho phép của chúng. Hướng dẫn ứng dụng của UL cho hệ thống biến tần cũng phân biệt thiết bị tương tác với lưới điện công cộng với thiết bị độc lập và đa chế độ, đồng thời mô tả bảo vệ chống đảo lưới nhằm ngăn tiếp tục xuất điện sau khi lưới mất điện.
Do đó, một bộ pin đã sạc có thể hiện diện về mặt vật lý trong khi tòa nhà vẫn mất điện. Việc tiếp tục cấp cho tải tại chỗ đòi hỏi một hệ thống được thiết kế để tách khỏi lưới bị sự cố và vận hành như một đảo điện có chủ đích. Dung lượng pin trả lời có bao nhiêu năng lượng sẵn có; nó không chứng minh rằng hệ thống lắp đặt có thể dùng năng lượng đó trong lúc mất điện.
Vận hành off-grid cần một tham chiếu điện cục bộ
Một hệ thống off-grid không có lưới công cộng để dựa vào. Khi địa điểm cấp cho tải AC, thiết bị trong hệ thống phải thiết lập điện áp và tần số cục bộ trong khi phát điện, lưu trữ và nhu cầu được cân bằng từng khoảnh khắc. Trong hệ thống dựa trên biến tần, vai trò đó thường do thiết bị grid-forming hoặc có khả năng độc lập thực hiện, thay vì biến tần bám lưới thông thường.
Pin và biến tần cùng nhau giúp quản lý cả mất cân bằng ngắn hạn và dài hạn. Chúng có thể phản hồi khi động cơ khởi động hoặc mây làm giảm sản lượng PV, rồi tiếp tục gánh tải sau hoàng hôn. Chúng vẫn chỉ là một phần của hệ thống cấp điện. Điện mặt trời, điện gió, thủy điện hoặc máy phát dùng nhiên liệu có thể đóng góp năng lượng, và hệ thống điều khiển phải phối hợp sạc, xả, phát điện, mức dự phòng và, nếu thiết kế cho phép, cắt các tải không thiết yếu.
Đó là lý do thiết kế off-grid đòi hỏi nhiều hơn việc thêm một bộ pin lớn. Thiết kế phải bao phủ nhu cầu đồng thời cao nhất trong các tải mà nó dự định phục vụ và duy trì các tải đó qua những khoảng thiếu hụt dự kiến của nguồn tái tạo, bằng năng lượng đã lưu trữ và bất kỳ nguồn cục bộ có thể điều độ nào. Sản lượng theo mùa, biến động thời tiết, tăng trưởng tải, tổn thất thiết bị và biên dự phòng đều ảnh hưởng đến kết quả.
Máy phát bên ngoài không biến hệ thống thành “on-grid”. Hệ thống vẫn là off-grid miễn là nó không kết nối với lưới điện công cộng. IEA Photovoltaic Power Systems Programme ghi nhận các hệ thống off-grid kết hợp PV, pin và tổ máy phát, trong khi tài liệu hệ thống độc lập của SMA cung cấp một ví dụ cụ thể về biến tần pin hình thành lưới cục bộ và phối hợp pin, máy phát cùng tải. Trong bối cảnh này, máy phát là một nguồn năng lượng cục bộ khác, thường được giữ lại cho các giai đoạn khi nguồn tái tạo và năng lượng đã lưu trữ không đủ.
“Hybrid” mô tả năng lực, không bảo đảm kết quả
Trong so sánh này, hybrid nghĩa là một hệ thống lưu trữ nối lưới được thiết kế để hỗ trợ nhiều hơn một chế độ vận hành. Khi lưới điện công cộng sẵn có, hệ thống có thể nhập, xuất, sạc và xả theo mục tiêu của địa điểm và quy định địa phương. Khi phát hiện mất điện, một cấu hình có khả năng dự phòng có thể cô lập các mạch được bảo vệ và thiết lập nguồn cấp cục bộ. Hướng dẫn về khả năng chống chịu của DOE mô tả các hệ thống điện mặt trời kết hợp lưu trữ chuyển sang chế độ đảo sau khi mất điện lưới và kết nối lại khi dịch vụ trở lại.
Tuy nhiên, từ “hybrid” được dùng khá lỏng. Ví dụ, báo cáo IEA PVPS cũng dùng “hệ thống PV hybrid” cho các tổ hợp off-grid gồm PV, pin và phát điện diesel. Trong thực tế, nhãn này vẫn để lại nhiều câu hỏi chưa được trả lời: những mạch nào tiếp tục có điện, quá trình chuyển đổi diễn ra nhanh đến đâu, và biến tần có thể khởi động cũng như hỗ trợ đảo điện khi không có lưới hay không.
Các chức năng đó phải được xác minh ở cấp hệ thống. Một hệ thống dự phòng hoạt động cần năng lực chuyển đổi công suất phù hợp, thiết bị cách ly hoặc chuyển nguồn, pin và điều khiển tương thích, cùng ranh giới tải dự phòng được xác định. Một số hệ thống chỉ hỗ trợ đầu ra tải thiết yếu chuyên dụng; các hệ thống khác có thể được thiết kế cho phần lớn hơn của tòa nhà. Năng lượng pin sẵn có ảnh hưởng đến thời gian chạy, trong khi công suất biến tần và thiết kế mạch được dự phòng quyết định tải nào có thể chạy cùng nhau.
Nhìn theo cách này, ba nhóm mô tả cách bố trí vận hành hơn là cấp bậc sản phẩm. Một hệ thống nối lưới có thể đủ khi dịch vụ điện công cộng đáng tin cậy và không cần cấp điện khi mất điện. Một địa điểm không có lưới cần mạng điện tự cung tự cấp. Một địa điểm dự kiến dùng lưới bình thường nhưng vẫn giữ một số tải được chọn vận hành khi mất điện cần cấu hình đa chế độ đã được xác minh. Khả năng đảo lưới, chuyển nguồn, hỗ trợ tải và điều khiển của nó cho biết nhiều hơn nhãn danh mục in trên biến tần.
