Minh Nguyệt
Intern Writer
Trong bối cảnh mạng lưới điện toàn cầu đang chuyển mình mạnh mẽ sang năng lượng tái tạo, chúng ta đang chứng kiến một sự thay đổi cơ bản trong cách các hệ thống điện vận hành. Những giả định kỹ thuật đã tồn tại hàng thập kỷ, như quán tính có thể dự đoán, khả năng phát điện nền có thể điều độ, hay động lực hệ thống chậm và dễ mô tả, giờ đây đang dần bị phá vỡ. Gió và mặt trời ngày càng trở thành nguồn điện chủ đạo, khiến các nhà điều hành lưới điện phải đối mặt với những thách thức mới như sự thay đổi công suất đột ngột, dao động tần số lớn hơn, quá độ nhanh hơn, và những giai đoạn dài mà nguồn phát điện từ nhiên liệu hóa thạch gần như không có hoặc rất ít.
Trong môi trường đầy biến động này, các hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (BESS) đã nổi lên như một công cụ thiết yếu để duy trì sự ổn định. Chúng có thể phản ứng chỉ trong vài mili giây, cung cấp khả năng kiểm soát công suất chính xác và hoạt động linh hoạt cho nhiều dịch vụ khác nhau. Tuy nhiên, không giống như các nguồn phát điện truyền thống, pin lại rất nhạy cảm với lịch sử vận hành, môi trường nhiệt độ, cửa sổ trạng thái sạc, kiến trúc hệ thống và các cơ chế suy giảm hiệu suất. Hành vi lâu dài của chúng không thể được mô tả bằng một mô hình đơn lẻ hay một đường cong hiệu suất đơn giản, mà nó là kết quả của sự tương tác phức tạp giữa các yếu tố điện hóa, nhiệt và điều khiển.
Hầu hết các thử nghiệm và mô phỏng trong phòng thí nghiệm đều cố gắng nắm bắt những hiệu ứng này, nhưng chúng hiếm khi tái tạo được những bất thường trong vận hành của lưới điện thực tế. Pin trên thị trường thực tế phải đối mặt với sự dao động nhanh chóng của nhu cầu điện, chu kỳ sạc một phần, khoảng thời gian phục hồi nhanh, các sự kiện công suất cao và những nhiễu loạn không thể đoán trước. Như Giáo sư Dan Gladwin, người đứng đầu nghiên cứu về lưu trữ năng lượng kết nối lưới điện tại Sheffield, đã chia sẻ, "chúng ta chỉ thực sự hiểu cách hoạt động của hệ thống lưu trữ khi chúng ta đặt nó vào những điều kiện mà nó thực sự gặp phải trên lưới điện."
Sự khác biệt này tạo ra một thách thức cơ bản cho ngành công nghiệp: Làm thế nào chúng ta có thể tin tưởng vào các mô hình suy giảm hiệu suất, dự đoán tuổi thọ và chiến lược vận hành nếu chúng chưa bao giờ được xác thực dựa trên hành vi lưới điện thực tế? Rất ít tổ chức nghiên cứu có đủ cơ sở hạ tầng cần thiết để trả lời câu hỏi đó, và Đại học Sheffield là một trong số ít đó.
Trung tâm Nghiên cứu Lưu trữ và Ứng dụng Năng lượng Điện (CREESA) của Sheffield vận hành một trong những cơ sở thử nghiệm lưu trữ năng lượng pin đa megawatt, kết nối lưới điện, do nghiên cứu dẫn dắt duy nhất ở Vương quốc Anh. Môi trường này cho phép các nhà nghiên cứu thử nghiệm công nghệ lưu trữ không chỉ trong mô phỏng hay các hệ thống chu kỳ kiểm soát, mà còn trong điều kiện lưới điện trực tiếp, quy mô đầy đủ. Giáo sư Gladwin nhấn mạnh rằng, "mục tiêu của chúng tôi là thu hẹp khoảng cách giữa nghiên cứu phòng thí nghiệm có kiểm soát và những yêu cầu của vận hành lưới điện thực tế."
Trái tim của cơ sở này là một kết nối mạng 11 kV, 4 MW, cung cấp sự chân thực về điện và vận hành cần thiết cho chẩn đoán nâng cao, nghiên cứu lỗi, phát triển thuật toán điều khiển, phân tích kinh tế kỹ thuật và mô hình hóa tuổi thọ. Không giống như các hệ thống trình diễn quy mô lưới điện siêu nhỏ hay các phòng thí nghiệm riêng lẻ, môi trường của Sheffield cho phép các tài sản lưu trữ năng lượng tương tác với cùng những nhiễu loạn, tín hiệu thị trường và động lực lưới điện mà chúng sẽ trải nghiệm trong triển khai thương mại. Giáo sư Dan Gladwin cũng khẳng định rằng, "khả năng thử nghiệm ở quy mô lớn, trong điều kiện vận hành thực tế, chính là điều mang lại cho chúng ta những hiểu biết mà chỉ mô phỏng thôi không thể cung cấp được."
Cơ sở này bao gồm một hệ thống lithium titanate 2 MW / 1 MWh, đây là một trong những hệ thống BESS kết nối lưới điện độc lập đầu tiên thuộc loại này ở Vương quốc Anh. Ngoài ra, còn có một nền tảng pin xe điện đã qua sử dụng công suất 100 kW, cho phép nghiên cứu về tái sử dụng, tái mục đích và các mô hình kinh tế tuần hoàn. Cơ sở cũng hỗ trợ các hệ thống bánh đà, siêu tụ điện, kiến trúc lai và công nghệ pin nhiên liệu. Hơn 150 kênh thử nghiệm pin trong phòng thí nghiệm, các buồng môi trường và thiết bị quang phổ trở kháng cũng được trang bị. Hệ thống thu thập dữ liệu tốc độ cao và hệ thống điều khiển tích hợp giúp ước tính thông số, phân tích nhiệt và đo lường phản ứng lỗi.
Cơ sở hạ tầng này cho phép Sheffield vận hành các tài sản lưu trữ trực tiếp trên lưới điện trực tiếp, nơi chúng phản ứng với các tín hiệu thị trường thực tế, cung cấp các dịch vụ điện theo hợp đồng và trải nghiệm các độ lệch tần số, sự kiện điện áp và nhiễu loạn vận hành thực sự. Khi cần các thí nghiệm có kiểm soát, cùng một nền tảng có thể phát lại các tín hiệu lưới điện và thị trường lịch sử, cho phép thử nghiệm công suất đầy đủ lặp lại trong các điều kiện phản ánh chân thực hoạt động thương mại. Sự kết hợp này cung cấp dữ liệu thực nghiệm với chất lượng và độ chân thực hiếm khi có được bên ngoài các triển khai quy mô tiện ích, cho phép các nhà nghiên cứu phân tích hành vi hệ thống ở thang thời gian mili giây và thu thập dữ liệu với độ chi tiết hiếm khi đạt được trong môi trường phòng thí nghiệm thông thường.
Một trong những đột phá sớm nhất của Sheffield đến từ việc lắp đặt hệ thống trình diễn lithium titanate 2 MW / 1 MWh. Đây là một hệ thống đầu tiên thuộc loại này được lắp đặt vào thời điểm Vương quốc Anh chưa có các tiêu chuẩn rõ ràng cho việc kết nối, an toàn hay điều khiển BESS. Giáo sư Gladwin đã dẫn dắt toàn bộ quá trình kỹ thuật, thiết kế, lắp đặt và vận hành hệ thống này, tạo ra một trong những nền tảng lưu trữ quy mô megawatt độc lập đầu tiên của đất nước. Dự án này đã mang lại những hiểu biết sâu sắc về cách các loại hóa chất pin công suất cao hoạt động dưới các yếu tố gây căng thẳng của lưới điện. Các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy thời gian phản ứng dưới một giây và đo lường khả năng của hệ thống trong việc cung cấp hành vi giống như quán tính tổng hợp. Giáo sư Gladwin hồi tưởng, "dự án đó đã cho chúng ta thấy hệ thống lưu trữ có thể nhanh và mạnh mẽ đến mức nào khi được tích hợp đúng cách vào lưới điện."
Nhưng giá trị lâu dài của hệ thống trình diễn này chính là việc nó tiếp tục được vận hành. Trong gần một thập kỷ nghiên cứu, nó đã trở thành một nền tảng quan trọng cho nhiều nghiên cứu khác nhau. Chúng ta có thể kể đến các nghiên cứu về lai ghép, bao gồm kiến trúc điều khiển pin bánh đà, tối ưu hóa thời gian phản ứng cho các dịch vụ lưới điện mới, đào tạo người vận hành và tích hợp thị trường, giúp các phòng điều khiển và nhà giao dịch tiếp xúc với một tài sản thực tế. Ngoài ra, nó còn hỗ trợ phát triển thuật toán, bao gồm bộ điều khiển điều độ, công cụ dự báo và hệ thống quản lý sức khỏe và dự đoán. Cuối cùng, nó còn được dùng để đánh giá so sánh, ví dụ như đánh giá các loại hóa chất lithium-ion khác nhau, hệ thống chì-axit và pin đã qua sử dụng.
Một phát hiện lặp đi lặp lại là hành vi quan sát được trên lưới điện trực tiếp thường khác biệt đáng kể so với những gì các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm dự đoán. Những tương tác điện, nhiệt và cân bằng hệ thống tinh tế mà hầu như không đáng kể trong các thí nghiệm có kiểm soát lại có thể trở nên quan trọng ở quy mô megawatt, đặc biệt khi các hệ thống phải chịu chu kỳ nhanh, điểm đặt dao động hoặc các hành động điều khiển liên kết chặt chẽ. Sự thay đổi về hiệu suất, phản ứng của hệ thống làm mát và nhu cầu điện phụ trợ cũng có thể khuếch đại những hiệu ứng này dưới áp lực vận hành thực tế. Giáo sư Gladwin lưu ý rằng, "những hiện tượng không bao giờ xuất hiện trong phòng thí nghiệm có thể chi phối hành vi ở quy mô megawatt." Những hiểu biết thực tế này trực tiếp góp phần cải thiện thiết kế hệ thống. Bằng cách hiểu cách các tổn thất hiệu suất, hành vi nhiệt, hệ thống phụ trợ và tương tác điều khiển xuất hiện ở quy mô lớn, các nhà nghiên cứu có thể tinh chỉnh cả các giả định và kiến trúc của các triển khai trong tương lai. Điều này tạo ra một vòng lặp khép kín giữa ứng dụng và thiết kế, đảm bảo rằng các hệ thống lưu trữ mới có thể được thiết kế cho các điều kiện vận hành mà chúng thực sự sẽ gặp phải, chứ không phải chỉ dựa trên những kỳ vọng lý tưởng trong phòng thí nghiệm.
Để đảm bảo độ bền lâu dài của hệ thống lưu trữ, chúng ta cần hiểu cách các hệ thống lão hóa dưới những điều kiện mà chúng thực sự phải đối mặt. Nghiên cứu của Sheffield kết hợp thử nghiệm phòng thí nghiệm độ phân giải cao với dữ liệu thực nghiệm từ các tài sản kết nối lưới điện quy mô đầy đủ, xây dựng một cách tiếp cận toàn diện để chẩn đoán và dự đoán. Theo lời Giáo sư Gladwin, "một mô hình chỉ tốt khi dữ liệu và điều kiện định hình nó. Để dự đoán tuổi thọ một cách tự tin, chúng ta cần các phép đo trong phòng thí nghiệm, thử nghiệm quy mô đầy đủ và xác thực trong điều kiện vận hành thực tế cùng nhau."
Một trọng tâm chính là ước tính trạng thái chính xác trong quá trình vận hành động cao. Sử dụng các bộ quan sát tiên tiến, bộ lọc Kalman và các phương pháp vật lý lai máy học, nhóm nghiên cứu đã phát triển các phương pháp cung cấp ước tính SOC (trạng thái sạc), SOH (trạng thái sức khỏe) và SOP (trạng thái công suất) đáng tin cậy trong các dao động công suất nhanh, chu kỳ không đều và điều kiện nhiễu loạn mà các phương pháp truyền thống thường gặp khó khăn. Một đóng góp quan trọng khác là hiểu được sự phân kỳ giữa các cell trong các chuỗi lớn. Dữ liệu của Sheffield cho thấy sự mất cân bằng tăng tốc gần các cực SOC, cách các gradient nhiệt thúc đẩy quá trình lão hóa không đều và cách phân bố dòng điện gây ra sự trôi dạt lâu dài. Những hiểu biết này cung cấp thông tin cho các chiến lược cân bằng giúp cải thiện dung lượng sử dụng và an toàn. Sheffield cũng đã tăng cường mô hình hóa tuổi thọ và suy giảm bằng cách tích hợp trực tiếp hành vi lưới điện thực tế vào khuôn khổ. Bằng cách phân tích các tín hiệu thị trường thực tế, độ lệch tần số và các mẫu điều độ, nhóm nghiên cứu đã khám phá ra các cơ chế lão hóa không xuất hiện trong quá trình chu kỳ phòng thí nghiệm có kiểm soát và nếu không sẽ bị ẩn đi.
Những đóng góp này tập trung vào bốn lĩnh vực cốt lõi. Đầu tiên là ước tính trạng thái và nhận dạng thông số, bao gồm ước tính SOC/SOH mạnh mẽ, nhận dạng thông số trực tuyến cho các mô hình mạch tương đương, dự đoán khả năng công suất bằng cách kích thích thoáng qua và các chiến lược lựa chọn dữ liệu dưới nhiễu và biến động. Thứ hai là mô hình hóa suy giảm và tuổi thọ, với các mô hình suy giảm được xây dựng dựa trên dữ liệu tần số và thị trường thực tế, phân tích chu kỳ siêu nhỏ và chu kỳ làm việc không đối xứng, cùng các mô hình dự báo vật lý lai máy học. Thứ ba là hành vi nhiệt và mất cân bằng, bao gồm đặc trưng hóa các gradient nhiệt trong các hệ thống đóng gói, hiểu sự mất cân bằng cell trong các hệ thống quy mô lớn, các chiến lược giảm thiểu ở cấp độ cell và module, và hành vi nhiệt-điện kết hợp dưới chu kỳ nhanh. Cuối cùng là các hệ thống lai và tối ưu hóa đa công nghệ, với các chiến lược phối hợp pin bánh đà, mô hình hóa kinh tế kỹ thuật cho các tài sản lai, tối ưu hóa điều độ bằng thuật toán tiến hóa và các sơ đồ điều khiển giúp kéo dài tuổi thọ và nâng cao hiệu suất dịch vụ.
Không chỉ dừng lại ở các hệ thống kết nối lưới điện, các phương pháp chẩn đoán của Sheffield còn chứng tỏ giá trị trong môi trường ngoài lưới. Một ví dụ điển hình là sự hợp tác với MOPO, một công ty triển khai các gói pin lithium-ion trả tiền theo lần đổi ở các cộng đồng thu nhập thấp trên khắp châu Phi cận Sahara. Những loại pin này phải đối mặt với chu kỳ sâu, hành vi người dùng thay đổi và nhiệt độ cao kéo dài, tất cả đều không có hệ thống làm mát chủ động hoặc môi trường được kiểm soát. Các kỹ thuật của nhóm nghiên cứu trong việc đặc trưng hóa cell, ước tính thông số và theo dõi sức khỏe tại chỗ đã giúp kéo dài tuổi thọ sử dụng của các gói pin MOPO. Giáo sư Gladwin chia sẻ, "bằng cách áp dụng bí quyết của mình, chúng tôi có thể làm cho các gói pin đổi này sạch sẽ, an toàn và tiết kiệm hơn đáng kể so với máy phát điện chạy xăng và diesel cho các cộng đồng phụ thuộc vào chúng."
Một điểm mạnh nổi bật trong cách tiếp cận của Sheffield là sự tích hợp chặt chẽ với ngành công nghiệp, các nhà điều hành hệ thống, nhà phát triển công nghệ và nhà cung cấp dịch vụ. Trong thập kỷ qua, cơ sở thử nghiệm kết nối lưới điện của họ đã giúp các tổ chức thử nghiệm thuật toán điều khiển, vận hành các tài sản pin đầu tiên của mình, kiểm tra các chiến lược tham gia thị trường và xác thực hiệu suất dưới các ràng buộc vận hành thực tế. Những mối quan hệ đối tác này đã mang lại những kết quả kỹ thuật thực tiễn, bao gồm các chiến lược điều độ được cải thiện, kiến trúc điều khiển tinh chỉnh, các phương pháp lắp đặt và vận hành được xác thực, cùng với sự hiểu biết rõ ràng hơn về sự suy giảm hiệu suất dưới hoạt động thị trường thực tế. Theo Giáo sư Gladwin, "đây là một mối quan hệ hai chiều, chúng tôi mang đến các công cụ phân tích và nghiên cứu, còn ngành công nghiệp mang đến bối cảnh và quy mô vận hành."
Sự trao đổi hai chiều này, kết hợp giữa cái nhìn sâu sắc từ học thuật và kinh nghiệm vận hành, đảm bảo rằng nghiên cứu của Sheffield luôn phù hợp trực tiếp với các hệ thống điện hiện đại. Nó tiếp tục định hình các phương pháp tốt nhất trong mô hình hóa tuổi thọ, điều khiển hệ thống lai, chẩn đoán và tối ưu hóa vận hành. Khi các hệ thống điện trên toàn thế giới hướng tới mục tiêu không phát thải ròng, nhu cầu về các mô hình được xác thực, các thuật toán điều khiển đã được chứng minh và sự hiểu biết thực nghiệm sẽ chỉ ngày càng tăng lên. Sự kết hợp giữa cơ sở hạ tầng quy mô đầy đủ, bộ dữ liệu dài hạn và văn hóa nghiên cứu hợp tác của Sheffield đảm bảo rằng họ sẽ luôn đi đầu trong việc phát triển các công nghệ lưu trữ hoạt động đáng tin cậy trong những môi trường quan trọng nhất, đó chính là thế giới thực.
Trong môi trường đầy biến động này, các hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (BESS) đã nổi lên như một công cụ thiết yếu để duy trì sự ổn định. Chúng có thể phản ứng chỉ trong vài mili giây, cung cấp khả năng kiểm soát công suất chính xác và hoạt động linh hoạt cho nhiều dịch vụ khác nhau. Tuy nhiên, không giống như các nguồn phát điện truyền thống, pin lại rất nhạy cảm với lịch sử vận hành, môi trường nhiệt độ, cửa sổ trạng thái sạc, kiến trúc hệ thống và các cơ chế suy giảm hiệu suất. Hành vi lâu dài của chúng không thể được mô tả bằng một mô hình đơn lẻ hay một đường cong hiệu suất đơn giản, mà nó là kết quả của sự tương tác phức tạp giữa các yếu tố điện hóa, nhiệt và điều khiển.
Hầu hết các thử nghiệm và mô phỏng trong phòng thí nghiệm đều cố gắng nắm bắt những hiệu ứng này, nhưng chúng hiếm khi tái tạo được những bất thường trong vận hành của lưới điện thực tế. Pin trên thị trường thực tế phải đối mặt với sự dao động nhanh chóng của nhu cầu điện, chu kỳ sạc một phần, khoảng thời gian phục hồi nhanh, các sự kiện công suất cao và những nhiễu loạn không thể đoán trước. Như Giáo sư Dan Gladwin, người đứng đầu nghiên cứu về lưu trữ năng lượng kết nối lưới điện tại Sheffield, đã chia sẻ, "chúng ta chỉ thực sự hiểu cách hoạt động của hệ thống lưu trữ khi chúng ta đặt nó vào những điều kiện mà nó thực sự gặp phải trên lưới điện."
Sự khác biệt này tạo ra một thách thức cơ bản cho ngành công nghiệp: Làm thế nào chúng ta có thể tin tưởng vào các mô hình suy giảm hiệu suất, dự đoán tuổi thọ và chiến lược vận hành nếu chúng chưa bao giờ được xác thực dựa trên hành vi lưới điện thực tế? Rất ít tổ chức nghiên cứu có đủ cơ sở hạ tầng cần thiết để trả lời câu hỏi đó, và Đại học Sheffield là một trong số ít đó.
Trung tâm Nghiên cứu Lưu trữ và Ứng dụng Năng lượng Điện (CREESA) của Sheffield vận hành một trong những cơ sở thử nghiệm lưu trữ năng lượng pin đa megawatt, kết nối lưới điện, do nghiên cứu dẫn dắt duy nhất ở Vương quốc Anh. Môi trường này cho phép các nhà nghiên cứu thử nghiệm công nghệ lưu trữ không chỉ trong mô phỏng hay các hệ thống chu kỳ kiểm soát, mà còn trong điều kiện lưới điện trực tiếp, quy mô đầy đủ. Giáo sư Gladwin nhấn mạnh rằng, "mục tiêu của chúng tôi là thu hẹp khoảng cách giữa nghiên cứu phòng thí nghiệm có kiểm soát và những yêu cầu của vận hành lưới điện thực tế."
Trái tim của cơ sở này là một kết nối mạng 11 kV, 4 MW, cung cấp sự chân thực về điện và vận hành cần thiết cho chẩn đoán nâng cao, nghiên cứu lỗi, phát triển thuật toán điều khiển, phân tích kinh tế kỹ thuật và mô hình hóa tuổi thọ. Không giống như các hệ thống trình diễn quy mô lưới điện siêu nhỏ hay các phòng thí nghiệm riêng lẻ, môi trường của Sheffield cho phép các tài sản lưu trữ năng lượng tương tác với cùng những nhiễu loạn, tín hiệu thị trường và động lực lưới điện mà chúng sẽ trải nghiệm trong triển khai thương mại. Giáo sư Dan Gladwin cũng khẳng định rằng, "khả năng thử nghiệm ở quy mô lớn, trong điều kiện vận hành thực tế, chính là điều mang lại cho chúng ta những hiểu biết mà chỉ mô phỏng thôi không thể cung cấp được."
Cơ sở này bao gồm một hệ thống lithium titanate 2 MW / 1 MWh, đây là một trong những hệ thống BESS kết nối lưới điện độc lập đầu tiên thuộc loại này ở Vương quốc Anh. Ngoài ra, còn có một nền tảng pin xe điện đã qua sử dụng công suất 100 kW, cho phép nghiên cứu về tái sử dụng, tái mục đích và các mô hình kinh tế tuần hoàn. Cơ sở cũng hỗ trợ các hệ thống bánh đà, siêu tụ điện, kiến trúc lai và công nghệ pin nhiên liệu. Hơn 150 kênh thử nghiệm pin trong phòng thí nghiệm, các buồng môi trường và thiết bị quang phổ trở kháng cũng được trang bị. Hệ thống thu thập dữ liệu tốc độ cao và hệ thống điều khiển tích hợp giúp ước tính thông số, phân tích nhiệt và đo lường phản ứng lỗi.
Cơ sở hạ tầng này cho phép Sheffield vận hành các tài sản lưu trữ trực tiếp trên lưới điện trực tiếp, nơi chúng phản ứng với các tín hiệu thị trường thực tế, cung cấp các dịch vụ điện theo hợp đồng và trải nghiệm các độ lệch tần số, sự kiện điện áp và nhiễu loạn vận hành thực sự. Khi cần các thí nghiệm có kiểm soát, cùng một nền tảng có thể phát lại các tín hiệu lưới điện và thị trường lịch sử, cho phép thử nghiệm công suất đầy đủ lặp lại trong các điều kiện phản ánh chân thực hoạt động thương mại. Sự kết hợp này cung cấp dữ liệu thực nghiệm với chất lượng và độ chân thực hiếm khi có được bên ngoài các triển khai quy mô tiện ích, cho phép các nhà nghiên cứu phân tích hành vi hệ thống ở thang thời gian mili giây và thu thập dữ liệu với độ chi tiết hiếm khi đạt được trong môi trường phòng thí nghiệm thông thường.
Một trong những đột phá sớm nhất của Sheffield đến từ việc lắp đặt hệ thống trình diễn lithium titanate 2 MW / 1 MWh. Đây là một hệ thống đầu tiên thuộc loại này được lắp đặt vào thời điểm Vương quốc Anh chưa có các tiêu chuẩn rõ ràng cho việc kết nối, an toàn hay điều khiển BESS. Giáo sư Gladwin đã dẫn dắt toàn bộ quá trình kỹ thuật, thiết kế, lắp đặt và vận hành hệ thống này, tạo ra một trong những nền tảng lưu trữ quy mô megawatt độc lập đầu tiên của đất nước. Dự án này đã mang lại những hiểu biết sâu sắc về cách các loại hóa chất pin công suất cao hoạt động dưới các yếu tố gây căng thẳng của lưới điện. Các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy thời gian phản ứng dưới một giây và đo lường khả năng của hệ thống trong việc cung cấp hành vi giống như quán tính tổng hợp. Giáo sư Gladwin hồi tưởng, "dự án đó đã cho chúng ta thấy hệ thống lưu trữ có thể nhanh và mạnh mẽ đến mức nào khi được tích hợp đúng cách vào lưới điện."
Nhưng giá trị lâu dài của hệ thống trình diễn này chính là việc nó tiếp tục được vận hành. Trong gần một thập kỷ nghiên cứu, nó đã trở thành một nền tảng quan trọng cho nhiều nghiên cứu khác nhau. Chúng ta có thể kể đến các nghiên cứu về lai ghép, bao gồm kiến trúc điều khiển pin bánh đà, tối ưu hóa thời gian phản ứng cho các dịch vụ lưới điện mới, đào tạo người vận hành và tích hợp thị trường, giúp các phòng điều khiển và nhà giao dịch tiếp xúc với một tài sản thực tế. Ngoài ra, nó còn hỗ trợ phát triển thuật toán, bao gồm bộ điều khiển điều độ, công cụ dự báo và hệ thống quản lý sức khỏe và dự đoán. Cuối cùng, nó còn được dùng để đánh giá so sánh, ví dụ như đánh giá các loại hóa chất lithium-ion khác nhau, hệ thống chì-axit và pin đã qua sử dụng.
Một phát hiện lặp đi lặp lại là hành vi quan sát được trên lưới điện trực tiếp thường khác biệt đáng kể so với những gì các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm dự đoán. Những tương tác điện, nhiệt và cân bằng hệ thống tinh tế mà hầu như không đáng kể trong các thí nghiệm có kiểm soát lại có thể trở nên quan trọng ở quy mô megawatt, đặc biệt khi các hệ thống phải chịu chu kỳ nhanh, điểm đặt dao động hoặc các hành động điều khiển liên kết chặt chẽ. Sự thay đổi về hiệu suất, phản ứng của hệ thống làm mát và nhu cầu điện phụ trợ cũng có thể khuếch đại những hiệu ứng này dưới áp lực vận hành thực tế. Giáo sư Gladwin lưu ý rằng, "những hiện tượng không bao giờ xuất hiện trong phòng thí nghiệm có thể chi phối hành vi ở quy mô megawatt." Những hiểu biết thực tế này trực tiếp góp phần cải thiện thiết kế hệ thống. Bằng cách hiểu cách các tổn thất hiệu suất, hành vi nhiệt, hệ thống phụ trợ và tương tác điều khiển xuất hiện ở quy mô lớn, các nhà nghiên cứu có thể tinh chỉnh cả các giả định và kiến trúc của các triển khai trong tương lai. Điều này tạo ra một vòng lặp khép kín giữa ứng dụng và thiết kế, đảm bảo rằng các hệ thống lưu trữ mới có thể được thiết kế cho các điều kiện vận hành mà chúng thực sự sẽ gặp phải, chứ không phải chỉ dựa trên những kỳ vọng lý tưởng trong phòng thí nghiệm.
Để đảm bảo độ bền lâu dài của hệ thống lưu trữ, chúng ta cần hiểu cách các hệ thống lão hóa dưới những điều kiện mà chúng thực sự phải đối mặt. Nghiên cứu của Sheffield kết hợp thử nghiệm phòng thí nghiệm độ phân giải cao với dữ liệu thực nghiệm từ các tài sản kết nối lưới điện quy mô đầy đủ, xây dựng một cách tiếp cận toàn diện để chẩn đoán và dự đoán. Theo lời Giáo sư Gladwin, "một mô hình chỉ tốt khi dữ liệu và điều kiện định hình nó. Để dự đoán tuổi thọ một cách tự tin, chúng ta cần các phép đo trong phòng thí nghiệm, thử nghiệm quy mô đầy đủ và xác thực trong điều kiện vận hành thực tế cùng nhau."
Một trọng tâm chính là ước tính trạng thái chính xác trong quá trình vận hành động cao. Sử dụng các bộ quan sát tiên tiến, bộ lọc Kalman và các phương pháp vật lý lai máy học, nhóm nghiên cứu đã phát triển các phương pháp cung cấp ước tính SOC (trạng thái sạc), SOH (trạng thái sức khỏe) và SOP (trạng thái công suất) đáng tin cậy trong các dao động công suất nhanh, chu kỳ không đều và điều kiện nhiễu loạn mà các phương pháp truyền thống thường gặp khó khăn. Một đóng góp quan trọng khác là hiểu được sự phân kỳ giữa các cell trong các chuỗi lớn. Dữ liệu của Sheffield cho thấy sự mất cân bằng tăng tốc gần các cực SOC, cách các gradient nhiệt thúc đẩy quá trình lão hóa không đều và cách phân bố dòng điện gây ra sự trôi dạt lâu dài. Những hiểu biết này cung cấp thông tin cho các chiến lược cân bằng giúp cải thiện dung lượng sử dụng và an toàn. Sheffield cũng đã tăng cường mô hình hóa tuổi thọ và suy giảm bằng cách tích hợp trực tiếp hành vi lưới điện thực tế vào khuôn khổ. Bằng cách phân tích các tín hiệu thị trường thực tế, độ lệch tần số và các mẫu điều độ, nhóm nghiên cứu đã khám phá ra các cơ chế lão hóa không xuất hiện trong quá trình chu kỳ phòng thí nghiệm có kiểm soát và nếu không sẽ bị ẩn đi.
Những đóng góp này tập trung vào bốn lĩnh vực cốt lõi. Đầu tiên là ước tính trạng thái và nhận dạng thông số, bao gồm ước tính SOC/SOH mạnh mẽ, nhận dạng thông số trực tuyến cho các mô hình mạch tương đương, dự đoán khả năng công suất bằng cách kích thích thoáng qua và các chiến lược lựa chọn dữ liệu dưới nhiễu và biến động. Thứ hai là mô hình hóa suy giảm và tuổi thọ, với các mô hình suy giảm được xây dựng dựa trên dữ liệu tần số và thị trường thực tế, phân tích chu kỳ siêu nhỏ và chu kỳ làm việc không đối xứng, cùng các mô hình dự báo vật lý lai máy học. Thứ ba là hành vi nhiệt và mất cân bằng, bao gồm đặc trưng hóa các gradient nhiệt trong các hệ thống đóng gói, hiểu sự mất cân bằng cell trong các hệ thống quy mô lớn, các chiến lược giảm thiểu ở cấp độ cell và module, và hành vi nhiệt-điện kết hợp dưới chu kỳ nhanh. Cuối cùng là các hệ thống lai và tối ưu hóa đa công nghệ, với các chiến lược phối hợp pin bánh đà, mô hình hóa kinh tế kỹ thuật cho các tài sản lai, tối ưu hóa điều độ bằng thuật toán tiến hóa và các sơ đồ điều khiển giúp kéo dài tuổi thọ và nâng cao hiệu suất dịch vụ.
Không chỉ dừng lại ở các hệ thống kết nối lưới điện, các phương pháp chẩn đoán của Sheffield còn chứng tỏ giá trị trong môi trường ngoài lưới. Một ví dụ điển hình là sự hợp tác với MOPO, một công ty triển khai các gói pin lithium-ion trả tiền theo lần đổi ở các cộng đồng thu nhập thấp trên khắp châu Phi cận Sahara. Những loại pin này phải đối mặt với chu kỳ sâu, hành vi người dùng thay đổi và nhiệt độ cao kéo dài, tất cả đều không có hệ thống làm mát chủ động hoặc môi trường được kiểm soát. Các kỹ thuật của nhóm nghiên cứu trong việc đặc trưng hóa cell, ước tính thông số và theo dõi sức khỏe tại chỗ đã giúp kéo dài tuổi thọ sử dụng của các gói pin MOPO. Giáo sư Gladwin chia sẻ, "bằng cách áp dụng bí quyết của mình, chúng tôi có thể làm cho các gói pin đổi này sạch sẽ, an toàn và tiết kiệm hơn đáng kể so với máy phát điện chạy xăng và diesel cho các cộng đồng phụ thuộc vào chúng."
Một điểm mạnh nổi bật trong cách tiếp cận của Sheffield là sự tích hợp chặt chẽ với ngành công nghiệp, các nhà điều hành hệ thống, nhà phát triển công nghệ và nhà cung cấp dịch vụ. Trong thập kỷ qua, cơ sở thử nghiệm kết nối lưới điện của họ đã giúp các tổ chức thử nghiệm thuật toán điều khiển, vận hành các tài sản pin đầu tiên của mình, kiểm tra các chiến lược tham gia thị trường và xác thực hiệu suất dưới các ràng buộc vận hành thực tế. Những mối quan hệ đối tác này đã mang lại những kết quả kỹ thuật thực tiễn, bao gồm các chiến lược điều độ được cải thiện, kiến trúc điều khiển tinh chỉnh, các phương pháp lắp đặt và vận hành được xác thực, cùng với sự hiểu biết rõ ràng hơn về sự suy giảm hiệu suất dưới hoạt động thị trường thực tế. Theo Giáo sư Gladwin, "đây là một mối quan hệ hai chiều, chúng tôi mang đến các công cụ phân tích và nghiên cứu, còn ngành công nghiệp mang đến bối cảnh và quy mô vận hành."
Sự trao đổi hai chiều này, kết hợp giữa cái nhìn sâu sắc từ học thuật và kinh nghiệm vận hành, đảm bảo rằng nghiên cứu của Sheffield luôn phù hợp trực tiếp với các hệ thống điện hiện đại. Nó tiếp tục định hình các phương pháp tốt nhất trong mô hình hóa tuổi thọ, điều khiển hệ thống lai, chẩn đoán và tối ưu hóa vận hành. Khi các hệ thống điện trên toàn thế giới hướng tới mục tiêu không phát thải ròng, nhu cầu về các mô hình được xác thực, các thuật toán điều khiển đã được chứng minh và sự hiểu biết thực nghiệm sẽ chỉ ngày càng tăng lên. Sự kết hợp giữa cơ sở hạ tầng quy mô đầy đủ, bộ dữ liệu dài hạn và văn hóa nghiên cứu hợp tác của Sheffield đảm bảo rằng họ sẽ luôn đi đầu trong việc phát triển các công nghệ lưu trữ hoạt động đáng tin cậy trong những môi trường quan trọng nhất, đó chính là thế giới thực.
