Tải thiết yếu (Essential load) là gì?

Tải điện (Load) là gì?

Tải điện (Load) là thiết bị hấp thụ công suất do một thiết bị khác hoặc một hệ thống điện cung cấp.[11] Trong nhà ở, tủ lạnh, tủ đông, đèn, máy bơm giếng, thiết bị đun nước nóng và nấu ăn đều là tải điện.[6][12]

Những thiết bị thường được xếp vào tải thiết yếu

Nhóm tải dự phòng mặc định trong nghiên cứu của LBNL gồm tủ lạnh, đèn buổi tối, máy tính và internet, máy bơm giếng, sưởi và làm mát.[2] Mức hạn chế trong báo cáo năm 2023 gồm tủ lạnh, tủ đông, đèn buổi tối, máy bơm giếng, đun nước nóng, nấu ăn và 70 W tải cắm.[6] Sổ tay MultiPlus-II của Victron dùng chữ thiết bị thiết yếu (essential equipment) cho bơm sưởi trung tâm, tủ lạnh, tủ đông và kết nối internet.[7]

Tải không thiết yếu (Non-essential load) là gì?

Tải không thiết yếu (Non-essential load) là các tải thường nối phía lưới, không được cấp điện dự phòng nên mất điện khi lưới mất.[3] Sổ tay Sungrow gọi nhóm này là tải thường (Common loads).[3] Bình đun nước điện được lấy làm ví dụ tải chỉ được chạy khi có máy phát hoặc nguồn điện bờ.[7] Bình nóng lạnh dùng nhiều điện và nên được loại khỏi phép tính tải dự phòng.[12]

Ba mức tải được dự phòng trong nghiên cứu

Mức tải hạn chế cấp cho tủ lạnh, đèn buổi tối và các thiết bị cắm thiết yếu.[1] Mức tải quan trọng đầy đủ cấp thêm cho thiết bị sưởi và làm mát.[1] Mức dự phòng toàn nhà cấp cho mọi tải hiện có.[1] Nhóm tải hạn chế trong báo cáo năm 2023 không gồm thiết bị y tế tại nhà.[6]

Tên gọi tải thiết yếu trong tài liệu hãng và báo cáo nghiên cứu

Cùng một nhóm tải được dự phòng mang nhiều tên khác nhau trong tài liệu kỹ thuật.[3][5] Bảng dưới chép đúng nhãn in trong từng tài liệu.

Cụm tải quan trọng (critical load) được dùng trong các báo cáo nghiên cứu cho phần tải được cấp điện trong lúc lưới mất.[5][1]

Tải thiết yếu khác nhau theo từng gia đình

Nhóm tải được giữ điện phụ thuộc vào cách đấu dây các tải đó với biến tần.[4] Tập tải được chọn để dự phòng là một kịch bản, có thể gồm hoặc không gồm sưởi và làm mát.[2]

Mục 2 giải thích vì sao hệ điện mặt trời có lưu trữ cần chọn ra phần tải này.

Vì sao điện mặt trời nối lưới tắt khi mất điện?

Nguồn điện mặt trời nối lưới thông thường ngừng phát ngay khi lưới mất.[7] IEEE 1547-2018, được trích lại trong báo cáo NREL/TP-5D00-77782, yêu cầu nguồn phân tán bị tách đảo ngừng cấp điện và cắt khỏi lưới trong 2 giây.[14] IEC 62116:2014, ấn bản 2.0, đưa ra quy trình thử khả năng chống tách đảo của biến tần.[15] Cách thử chống tách đảo được trình bày ở bài IEC 62116.

Tách đảo (Islanding) là gì?

Tách đảo (Islanding) là trạng thái một phần hệ thống điện bị tách khỏi lưới chung nhưng vẫn được các nguồn điện tại chỗ cấp điện.[16][14] Một lưới đảo có thể hình thành do bảo vệ tự động tác động hoặc do thao tác có chủ đích.[16]

Tách đảo ngoài ý muốn gây nguy hiểm gì?

Trong lưới đảo ngoài ý muốn, điện lực không điều khiển được điện áp và tần số.[17] Lưới đảo có thể làm đường dây vẫn mang điện, gây nguy hiểm cho công nhân điện lực hoặc người dân.[17] Đóng lặp lại vào một lưới đảo có thể làm đường dây cắt lại hoặc hỏng thiết bị của nguồn phân tán.[17]

Tách đảo có chủ đích để cấp điện cho tải

Tiêu chuẩn NRS 097-2-1:2024 của Nam Phi cho phép hệ hybrid tạo lưới đảo có chủ đích để cấp điện cho tải sau khi đã tách khỏi lưới.[18] Hệ hybrid tạo lưới đảo phía tải trong lúc mất điện lưới phải mở thiết bị ngắt SDU phía lưới.[18]

Công suất biến tần giới hạn số tải được cấp

Công suất cần có của biến tần sạc phụ thuộc vào kiểu lắp đặt và các thiết bị sẽ được cấp điện.[8] Tổng công suất tải không nên vượt công suất liên tục của biến tần sạc.[8] Sungrow dặn không đấu vào cổng dự phòng nhóm tải có tổng công suất lớn hơn công suất dự phòng tối đa.[3]

Điện năng trong pin giới hạn thời gian dự phòng

Một ngôi nhà mẫu dùng pin lưu trữ 11 kWh, công suất 5 kW, được mô phỏng khi lưới mất.[13] Khi cấp cho toàn bộ tải, ngôi nhà gần như chắc chắn tự duy trì được 3 giờ và có khả năng 50% duy trì khoảng 10 giờ.[13] Khi tải giảm còn 50%, khả năng tự duy trì trên 24 giờ đạt khoảng 31%.[13]

Mục 3 trình bày cách biến tần hybrid cấp điện cho tải thiết yếu khi lưới mất, trong hai giới hạn công suất và điện năng vừa nêu.

Biến tần hybrid (Hybrid inverter) là gì?

Biến tần hybrid (Hybrid inverter) là biến tần có thể chuyển giữa chế độ bám theo nguồn lưới và chế độ tự tạo nguồn cấp điện.[18] Tiêu chuẩn an toàn IEC 62109-2 áp cho biến tần nối lưới, biến tần độc lập và biến tần nhiều chế độ (multiple mode).[19] IEC 62109-2 có phép thử chuyển tải (load transfer test) và yêu cầu về điện áp, tần số đầu ra cho biến tần độc lập.[19]

Không đấu nguồn lưới vào cổng dự phòng

Sungrow cấm đấu dây nguồn lưới vào cổng BACKUP của biến tần SH-RS.[3] Sungrow cũng cấm đấu tải giữa biến tần và aptomat AC.[3]

Biến tần tự tạo lưới nhỏ cho tải thiết yếu

Khi lưới mất, biến tần sạc Victron thay lưới cấp điện cho tải.[7] Biến tần nối lưới đấu ở đầu ra AC vẫn chạy trong lúc mất lưới, nhờ lưới nhỏ do biến tần sạc tạo ra.[8] Khi mất lưới và điện mặt trời dư, MultiPlus-II tăng nhẹ tần số AC để giảm công suất của biến tần nối lưới.[7] Cách ghép biến tần ở phía AC được so sánh ở bài AC Coupling và DC Coupling.

Thời gian chuyển sang cấp điện cho tải thiết yếu

Biến tần Sungrow SH-RS thường chuyển sang chế độ dự phòng trong dưới 10 ms.[3] Sungrow lưu ý yếu tố bên ngoài hoặc quy định địa phương có thể làm hệ không vào được chế độ dự phòng.[3] Thời gian chuyển được giải thích ở bài Thời gian chuyển mạch. Chế độ để điện lưới đi thẳng qua biến tần tới tải được giải thích ở bài Chế độ bypass.

Nối đất trung tính khi vận hành tách đảo

NRS 097-2-1:2024 cấm nguồn phát nhỏ nối cố định trung tính với đất.[18] Trung tính của lưới đảo có chủ đích phải được nối đất trong vòng 200 ms sau khi thiết bị ngắt mở phía lưới.[18] Mối nối trung tính với đất phải mở trong vòng 200 ms trước khi biến tần đóng lại vào lưới.[18] Ở Úc, New Zealand và Nam Phi, Sungrow yêu cầu nối dây trung tính của cổng GRID và cổng BACK-UP, nếu không chức năng dự phòng không chạy.[3]

Khi lưới mất, pin chỉ dự phòng cho phần tải nối ở đầu ra của biến tần.[8] Mục 4 so hai cách bố trí phần tải này trong tủ điện.

Tủ điện tải thiết yếu (Essential loads panel) là gì?

Tủ điện tải thiết yếu (Essential loads panel) là tủ điện riêng chứa các mạch tải được giữ điện khi mất lưới.[20] Tủ điện tải thiết yếu còn được gọi là tủ điện tải quan trọng (critical load panel).[20] Sơ đồ của Sungrow đặt tải được bảo vệ ở cổng dự phòng và tải thường ở phía lưới.[3] Pin có thể được nối vào một số mạch nhất định, để chỉ một số thiết bị có điện khi mất điện.[12][8]

Dự phòng toàn nhà (Whole-home backup) là gì?

Dự phòng toàn nhà (Whole-home backup) là cách đấu đưa mọi tải trong nhà ra sau biến tần, để mọi tải được pin cấp điện khi lưới mất.[8][1] Trong cách đấu dự phòng toàn nhà của hệ ESS Victron, mọi tải và biến tần nối lưới đều nối vào đầu ra AC-Out của biến tần sạc.[8] Khi có tải nối thêm ở phía đầu vào AC-In, chỉ tải ở AC-Out được pin dự phòng.[8] Dòng điện lưới đi xuyên qua biến tần tới tải ở đầu ra khi lưới còn được trình bày ở bài Dòng AC đi xuyên tối đa.

Dự phòng toàn nhà cần pin lớn hơn bao nhiêu?

Dự phòng toàn nhà cần trung bình thêm khoảng 30 kWh pin so với dự phòng tải quan trọng, theo mô phỏng năm 2023 cho nhà ở Hoa Kỳ.[6] Với mức tải hạn chế không có sưởi và làm mát, dung lượng pin cần dùng khá nhỏ, dưới 15 kWh.[6] Với pin 10 kWh, dự phòng toàn nhà đáp ứng trung bình 73% tổng điện năng cần dùng, tính theo trọng số dân số.[5]

Tỷ lệ đợt mất điện đáp ứng chưa đủ ở ba mức dự phòng

Mô phỏng 1.520 đợt mất điện ở hạt Maricopa, Arizona cho thấy hệ đáp ứng dưới 100% tải dự phòng trong 16% số đợt với mức tải hạn chế.[1] Tỷ lệ này là 48% với mức tải quan trọng đầy đủ và 57% với dự phòng toàn nhà.[1]

Bảng so sánh tủ tải thiết yếu và dự phòng toàn nhà

Điều kiện công suất ở dòng cuối của bảng áp cho cả hai cách đấu. Mục 5 đọc giới hạn này trên datasheet.

Đoạn trích datasheet MultiPlus-II 48/5000/70-50

Công suất liên tục của đầu ra AC

MultiPlus-II 48/5000/70-50 cho công suất ra liên tục 5000 VA, tức 4000 W, ở 25 °C.[21] Tổng công suất của các tải không nên vượt mức liên tục này.[8]

Công suất đầu ra giảm khi nhiệt độ tăng

Công suất ra liên tục của MultiPlus-II 48/5000/70-50 còn 3700 W ở 40 °C và 3000 W ở 65 °C.[21] Ở 65 °C, MultiPlus-II 48/5000/70-50 chỉ còn 3.000 / 4.000 = 0,75, tức 75% công suất ở 25 °C.

Công suất đỉnh và dòng khởi động của động cơ

Công suất đỉnh của MultiPlus-II 48/5000/70-50 là 9000 W, gấp 9.000 / 4.000 = 2,25 lần công suất liên tục ở 25 °C.[21] Động cơ không đồng bộ có dòng khởi động lớn, phần lớn là dòng phản kháng, có thể gây sụt áp đáng kể.[22] Thiết bị bảo vệ quá tải của động cơ phải có đặc tính không cắt trong thời gian khởi động.[22]

Biến tần làm gì khi cổng dự phòng quá tải?

Biến tần Sungrow SH-RS tự khởi động lại khi bảo vệ quá tải cổng dự phòng tác động.[3] Nếu quá tải lặp lại, thời gian chờ khởi động lại tăng dần, tối đa 10 phút.[3] Sungrow hướng dẫn giảm tải dự phòng về trong giới hạn, hoặc bỏ các tải có dòng khởi động cao.[3] Khả năng chịu quá tải của thiết bị được trình bày ở bài Khả năng chịu quá tải.

Công suất W và VA của tải thiết yếu

Datasheet MultiPlus-II in công suất liên tục theo cả hai đơn vị, 5000 VA và 4000 W.[21] Sự khác nhau giữa VA và W được giải thích ở bài Công suất biểu kiến. Dòng điện lớn nhất cấp cho cổng tải ưu tiên được trình bày ở bài Dòng điện tối đa cấp tải ưu tiên.

Aptomat và RCD cho cổng dự phòng

Sungrow yêu cầu lắp aptomat AC ở phía cổng dự phòng để tránh ngắn mạch làm hỏng biến tần.[3] Aptomat khuyến nghị cho cổng dự phòng của SH-RS là 32 A.[3] Sơ đồ đấu dây dự phòng của Sungrow có RCD 30 mA, ghi là theo quy định địa phương ở Úc và là khuyến nghị ở nước khác.[3] Cổng dự phòng không được ngắn mạch trong lúc biến tần làm việc.[3]

Giới hạn trên datasheet là ngưỡng để so với tổng công suất của tải thiết yếu. Mục 6 trình bày từng bước chọn tải sao cho nằm trong ngưỡng này.

Bước 1: xác định thiết bị cần có điện khi mất điện

Câu hỏi gợi ý là gia đình có cần internet, đèn và tủ lạnh khi mất điện hay không.[12] Tủ lạnh, đèn buổi tối, máy tính và internet nằm trong nhóm tải dự phòng mặc định của mô phỏng LBNL.[2] Với tòa nhà có tủ điện tải quan trọng gắn công tơ, số liệu đo của tủ dùng được làm dữ liệu tải quan trọng.[20]

Bước 2: cân nhắc bình nóng lạnh, sưởi và làm mát

Bình nóng lạnh dùng nhiều điện và nên được loại khỏi phép tính tải dự phòng.[12][7] Trong ngôi nhà mẫu của một nghiên cứu, bình nóng lạnh có công suất 5 kW và tiêu thụ 4.233 kWh mỗi năm.[13] Khả năng dự phòng nhóm tải có cả sưởi và làm mát thấp hơn hẳn so với nhóm tải không có.[1]

Bước 3: cộng công suất và so với công suất dự phòng

Tổng công suất các tải được chọn không nên vượt công suất liên tục của biến tần.[8] Sungrow không cho đấu nhóm tải có tổng công suất lớn hơn công suất dự phòng tối đa.[3]

Bước 4: tính điện năng theo số giờ dùng

Công thức tính điện năng là Điện năng tiêu thụ (Wh) = Công suất của thiết bị (W) × Thời gian dùng (h).[9][10] Theo cách tính lý thuyết, pin lithium 5 kWh cấp được 5 kW trong một giờ.[10]

Bước 5: giữ phần pin dự trữ cho lúc mất điện

Trong hệ ESS của Victron, phần dung lượng pin giữ lại cho lúc mất lưới được đặt bằng thông số SOC tối thiểu (Minimum SOC).[4] Giảm trạng thái sạc xuống dưới 20% làm pin giảm dung lượng và già nhanh hơn.[10]

Thiết bị không nên đấu vào cổng dự phòng

Sungrow ghi biến tần SH-RS không phù hợp để cấp điện cho thiết bị y tế duy trì sự sống.[3] Sungrow cũng dặn không đấu tải cần nguồn điện ổn định để vận hành tin cậy.[3] Hệ SH-RS không bảo đảm có điện dự phòng trong mọi trường hợp.[3] Biến tần SH-RS không nối pin sẽ không bảo đảm chức năng dự phòng.[3]

Danh sách tải sau năm bước cho biết công suất và điện năng cần dự phòng. Mục 7 xét các yếu tố quyết định nhóm tải đó được giữ điện bao lâu.

Dung lượng pin lưu trữ

Pin 30 kWh đáp ứng trung bình 96% nhu cầu của nhóm tải quan trọng có cả sưởi và làm mát.[2][5] Giữa các hạt, khoảng phân vị thứ 5 đến thứ 95 của tỷ lệ này là 76% đến 100%.[5] Trong mô hình này, công suất pin được giả định bằng dung lượng chia cho 1 giờ.[6]

Tải sưởi và làm mát

Hệ điện mặt trời có lưu trữ đáp ứng ổn định 93% điện năng cần cho nhóm tải thiết yếu không có sưởi và làm mát.[1] Khi có thêm sưởi và làm mát, hệ chỉ đáp ứng 70% nhu cầu.[1]

Mùa và ngày bắt đầu mất điện

Ở các nhà dùng sưởi điện, tỷ lệ đáp ứng trung bình trong các tháng mùa đông giảm còn 53% vào ngày xấu nhất.[5] Cùng nhóm nhà đó đạt 96% khi đợt mất điện bắt đầu vào ngày tốt nhất.[5]

Mức pin khi bắt đầu mất điện

Với đợt mất điện 1 ngày bắt đầu lúc hoàng hôn, hệ đáp ứng 48% tải khi pin không có điện ban đầu.[5] Cùng đợt mất điện đó, hệ đáp ứng 98% tải khi pin đầy.[5]

Độ dài đợt mất điện

Tỷ lệ đáp ứng tải quan trọng giảm từ 100% với đợt mất điện 1 ngày xuống 92% với đợt 10 ngày.[2] Từ đợt 3 ngày tới đợt 10 ngày, tỷ lệ trung bình giảm từ 96% xuống 92%.[5] Các đợt cắt điện luân phiên ở Nam Phi kéo dài từ 2 đến 4 giờ mỗi lần.[12][10]

Sạc lại từ pin mặt trời và máy phát

Trong lúc mất lưới, MultiPlus-II cấp điện cho tải từ pin, và từ pin mặt trời khi có nắng.[4] Hệ dự phòng cần chịu được đợt mất lưới kéo dài nên luôn có một phần pin mặt trời ghép phía DC, theo hướng dẫn thiết kế ESS.[8] Máy phát có thể dùng làm nguồn dự phòng trong đợt mất lưới kéo dài.[4] Cổng nối máy phát trên biến tần được giải thích ở bài Cổng máy phát điện. Khi pin và pin mặt trời đều không còn điện, biến tần Sungrow SH-RS tự ngắt nguồn dự phòng.[3]

Khi pin xuống thấp trong đợt mất điện dài, hệ cần biết tải nào được ngắt trước. Mục 8 trình bày cách quản lý tải theo trạng thái sạc của pin.

Trạng thái sạc (SOC) là gì?

Trạng thái sạc (SOC) là dung lượng hiện có của pin, tính bằng phần trăm của dung lượng tối đa.[9] Độ sâu xả (DOD) là phần dung lượng đã xả, tính bằng phần trăm của dung lượng tối đa.[9]

Cắt tải một mức theo SOC

Ở chế độ cắt tải một mức của Sunny Island, một rơ le đa chức năng điều khiển công tắc tơ cắt tải theo SOC của pin.[23] Khi SOC giảm tới ngưỡng dưới, công tắc tơ mở và tách tải khỏi lưới độc lập.[23] Khi pin được sạc lại tới ngưỡng trên, công tắc tơ đóng lại.[23] Ngưỡng trên phải cao hơn ngưỡng dưới ít nhất 10 điểm phần trăm.[23]

Đầu ra phụ tự ngắt khi chạy pin

Ngoài đầu ra không gián đoạn AC-out-1, MultiPlus-II có đầu ra phụ AC-out-2 tự ngắt tải khi chuyển sang chạy pin.[7] Datasheet MultiPlus-II 48/5000/70-50 ghi đầu ra phụ 32 A, mặc định ngắt khi biến tần chạy chế độ nghịch lưu.[21]

Các mục trên cho đủ công cụ để chọn và quản lý tải thiết yếu. Mục 9 áp các bước đó cho một biến tần cụ thể.

Bước 1: đọc giới hạn của MultiPlus-II 48/5000/70-50

MultiPlus-II 48/5000/70-50 cho 4000 W liên tục ở 25 °C, 3700 W ở 40 °C và công suất đỉnh 9000 W.[21] Giả định biến tần đặt ở nơi có nhiệt độ khoảng 40 °C, nên mốc so sánh là 3.700 W.

Bước 2: lập danh sách tải thiết yếu giả định

Danh sách giả định gồm tủ lạnh, đèn, internet và máy bơm giếng theo nhóm tải mặc định của mô phỏng LBNL,[2] cộng thêm quạt. Công suất và giờ dùng là giả định.

Bước 3: so tổng công suất với công suất liên tục

Tổng công suất danh sách là 150 + 60 + 20 + 100 + 750 = 1.080 W. Tỷ lệ so với mốc 3.700 W là 1.080 / 3.700 ≈ 0,29, tức khoảng 29%. Tổng công suất vì vậy thỏa điều kiện không vượt công suất liên tục.[8]

Bước 4: xét lúc máy bơm khởi động

Máy bơm giếng trong ví dụ được giả định dùng động cơ không đồng bộ, loại động cơ có dòng khởi động lớn.[22] Công suất đỉnh 9.000 W gấp 9.000 / 1.080 ≈ 8,3 lần tổng công suất chạy của danh sách.[21]

Bước 5: tính điện năng mỗi ngày

Áp công thức Điện năng (Wh) = Công suất (W) × Thời gian dùng (h)[9] cho từng dòng của bảng. Tủ lạnh dùng 150 × 10 = 1.500 Wh, máy bơm dùng 750 × 1 = 750 Wh. Tổng điện năng là 1.500 + 300 + 480 + 800 + 750 = 3.830 Wh mỗi ngày.

Bước 6: so với dung lượng pin giả định

Giả định pin lưu trữ 10 kWh và giữ lại 20% dung lượng, mức dưới đó pin già nhanh hơn.[10] Điện năng dùng được là 10 × (1 − 0,2) = 8 kWh. Theo phép chia lý thuyết, 8.000 / 3.830 ≈ 2,1 ngày, với giả định không có nắng sạc lại.

Bước 7: thử thêm bình nóng lạnh 5 kW

Bình nóng lạnh trong ngôi nhà mẫu của nghiên cứu có công suất 5 kW.[13] Thêm bình này, tổng công suất thành 1.080 + 5.000 = 6.080 W. Mức 6.080 W vượt cả 3.700 W ở 40 °C lẫn 4.000 W ở 25 °C.[21]

Bước 8: đặt tải không thiết yếu ở đầu ra phụ hoặc phía lưới

Bình nóng lạnh có thể nối vào đầu ra phụ AC-out-2, nơi tải chỉ chạy khi có điện lưới hoặc máy phát.[7] Cách khác là để tải ở phía AC-In, phần tải này không được pin dự phòng khi lưới mất.[8]

Ví dụ trên áp đủ các bước của mục 6 cho một biến tần cụ thể. Mục 10 trả lời các câu hỏi hay gặp về tải thiết yếu.