Защо двупосочните постояннотокови-постояннотокови преобразуватели са основа на батериите за натрупване на енергия (BESS) от следващото поколение

Въведение: Бързото мащабиране на батерийните системи за съхранение на енергия

Докато глобалната електрическа мрежа преминава към декентрализирани възобновяеми енергийни източници като слънчева и вятърна енергия, нуждата от батерийни системи за съхранение на енергия (BESS) с висока капацитетност рязко нараства. Тези системи вече не са просто допълнителни устройства за работа извън мрежата; те са критически активи на мрежата, използвани за регулиране на честотата, преместване на пиковете от слънчева енергия, контрол на скоростта на нарастване на мощността и аварийно резервно захранване. Съвременната BESS представлява значителна инвестиция – от стотици киловатчаса до мултимегаватови инсталации, свързани към мрежата.

В основата на всяка система за съхранение на електрическа енергия (BESS) се намира електронното оборудване за управление на мощността, което регулира потока електричество между електрохимичните клетки и електрическата мрежа или локалната променлива токова шина. Докато традиционните проекти за съхранение разчитаха на еднопосочни преобразуватели или сложни релейни превключвателни вериги, архитектурите на BESS от ново поколение установиха двупосочните DC-DC преобразуватели като задължително изискване. За менеджърите по набавки, индустриалните проектиращи специалисти и архитектите на системи разбирането на инженерните предимства на тези двупосочни преобразуватели е ключово за избора на подходящото оборудване за съхранение.

В: Защо двупосочните DC-DC преобразуватели се считат за бъдещето на системите за съхранение на електрическа енергия (BESS) в сравнение с традиционните еднопосочни топологии?

Отговор:

Двупосочните постояннотокови-постояннотокови преобразуватели са бъдещето на системите за съхранение на електрическа енергия (BESS), тъй като осигуряват непрекъснат, двупосочен поток на мощност чрез единична, интегрирана полупроводникова топология и елиминират необходимостта от громоздки механични релета или отделни вериги за зареждане и разреждане. Те компенсират значителните напреженски разлики между нисконапрежението на батерийните блокове и високонапрежението на постояннотоковите или променливотоковите шини (напр. от 400 V до 1500 V постоянноток) при коефициент на преобразуване, надхвърлящ 98 процента.

Освен това двупосочните преобразуватели позволяват реализацията на напреднали функции на системата. Сред тях са динамичното зареждане и разреждане на батерии с реакции за по-малко от милисекунда, пасивно и активно балансиране на елементите в батерийните блокове, прецизно регулиране на степента на зареденост и изолиране на повредени батерийни вериги без прекъсване на работата на цялата система за съхранение на енергия. Чрез модернизация с двупосочни преобразувателни модули разработчиците на BESS могат да намалят общата заемана площ на оборудването с до 40 процента, да понижат топлинните натоварвания и да намалят общата цена на жизнения цикъл на инсталацията за съхранение на енергия.

Техническо предимство 1: Непрекъснат приток на енергия и отговорни времена под един милисекунда

В традиционните батерийни системи зареждането на батерията от слънчева фотоволтаична инсталация и разреждането ѝ към електропреносната мрежа изискваха отделни, независими еднопосочни конверторни вериги. Превключването между тези режими изискваше отваряне и затваряне на физически контактори или релета.

• Елиминиране на механичното забавяне: Физическите релета внасят забавяне от 10 до 50 милисекунди по време на превключване. В съвременните приложения за стабилизиране на електропреносната мрежа, като например първичен отговор на честотата, такова забавяне е неприемливо. Двупосочните постояннотокови-постояннотокови (DC-DC) конвертори използват симетричен мост от полупроводникови ключове (например MOSFET-ове от карбид на кремний), които могат да обърнат посоката на тока моментално. Това се постига чрез регулиране на управляващите сигнали на ключовете, което позволява промяна на посоката на енергийния поток за по-малко от един милисекунда.
• Динамична стабилизация на електрическата мрежа: Възможността за превключване от режим на зареждане към режим на разреждане за част от милисекундата позволява на системата за съхранение на електроенергия (BESS) да абсорбира преходни високи напрежения в мрежата и незабавно да инжектира енергия, за да се предотвратят провали в напрежението. Тази високоскоростна производителност е от решаващо значение за устойчивостта на микромрежите и стабилността на мрежата в мащаба на цялата електрическа система.

Техническо предимство 2: Съвместимост с широк диапазон от напрежения и стандартизиране на системата

Съвременните батерийни технологии са изключително модулни. Отделните литиево-йонни батерийни клетки се комбинират в батерийни пакети, модули и вериги. Общото напрежение на батерийна верига постоянно се променя в зависимост от нейното състояние на заряд (State of Charge), вариращо от дълбоко разрядено до напълно заредено състояние.

• Затваряне на разликата в постояннотоковата шина: Централният инвертор или постоянноток-променливоток инвертор за свързване към мрежата работи най-ефективно при високо и стабилно напрежение на постояннотоковата шина (често между 800 V и 1500 V DC). В сравнение с това, батерийните вериги могат да работят при номинално напрежение от 400 V DC. Двупосочният постоянноток-постоянноток преобразувател действа като активен напрежен буфер. При разреждане той повишава променливото напрежение от 400 V на батерията до стабилно напрежение от 800 V DC на шината. При зареждане той понижава напрежението от 800 V DC на шината до подходящото ниво, необходимо за химическите елементи на батерията, като динамично регулира напрежението, за да следва профила на зареждане CC-CV (постоянен ток – постоянен напрежение).
• Висока ефективност на преобразуването: Чрез използване на съвременни резонансни топологии, като двойния активен мост или резонансен преобразувател LLC, двупосочните преобразуватели могат да постигнат превключване при нулево напрежение (ZVS) или превключване при нулев ток (ZCS). Това „меко“ превключване значително намалява загубите при превключване и позволява на преобразувателя да поддържа ефективност от 98,5 % в широк диапазон на напрежения.

Техническо предимство 3: Активно балансиране и изолиране на повреди на ниво отделна батерийна верига

При големи инсталации на системи за съхранение на електроенергия (BESS), множество батерийни вериги са свързани успоредно към обща постоянна ток шина (DC bus). Ако една от веригите има по-ниско напрежение или повредена клетка, тя може да изтегля циркулиращи токове от съседните вериги, което води до прегряване, ускорено остаряване на клетките или термичен разгръщане.

• Конвертори на ниво отделна верига: В конструкцията на BESS от ново поколение се използва специализиран двупосочен DC-DC конвертор за всяка отделна батерийна верига, вместо всички вериги да се свързват директно към централен конвертор. Тази разпределена архитектура позволява на системата да управлява всяка батерийна верига независимо. Конверторът динамично регулира зарядния ток за всяка верига въз основа на нейното уникално състояние на здравето (SOH) и вътрешно съпротивление, като по този начин напълно предотвратява циркулиращите токове.
• Електронна изолация: Ако в определен клон се открие повреда на елемента или термична аномалия, специализираният двупосочен преобразувател може незабавно да спре импулсите за превключване, електронно изолирайки този клон от високоволтовата постоянна ток шина. Останалата част от системата за съхранение на електрическа енергия (BESS) може да продължи да работи с пълна мощност, което позволява поддръжка с гореща подмяна и максимизира наличността на системата.

JYINS Electrical: Инженерни решения за премиум двупосочна преобразувателна мощност

В JYINS Electrical сме изградили репутацията си върху проектирането и производството на издръжливи и високоефективни електронни устройства за преобразуване на мощност. Нашият инженерен екип е разработил специализирани двупосочни DC-DC преобразувателни модули и умни хибридни инвертори, които отговарят на строгите изисквания на съвременните разработчици на BESS:

• Напреднала интеграция на карбид на кремний (SiC): Двупосочните ни проекти включват премиум полупроводникови елементи от карбид на кремний, които осигуряват превключване с висока честота, изключителна термична устойчивост и пикови ефективности до 98,8 процента.
• Интелигентни DSP контролери: Преобразувателите на JYINS използват бързи цифрови сигнали процесори за изпълнение на сложни алгоритми за затворен контур, което гарантира стабилна регулация на напрежението и безпроблемно, ултрабързо обръщане на потока на енергия.
• Комплексни системи за защита: Нашето оборудване е оснащено с вградени защиты срещу прекомерно напрежение, прекомерен ток, късо съединение и прекомерна температура, което гарантира безопасна експлоатация в условията на високомощни търговски и индустриални (C&I) и микрогридови системи.
• Безпроблемна интеграция с BMS: Оборудването на JYINS разполага с интегрирани CAN шина и Modbus комуникационни интерфейси, което позволява реалновременен координиран контрол заедно с системата за управление на батерии (BMS).

Най-добри практики за набавяне на BESS и архитектура на системата

При проектиране или набавяне на хардуер за търговски или индустриален BESS проект разработчиците трябва да се фокусират върху три ключови инженерни практики:

• Изберете разпределени DC-DC архитектури: Стандартизирането върху двупосочни DC-DC преобразуватели на ниво струя осигурява по-високо ниво на безопасност, елиминира циркулиращите токове и позволява по-лесно мащабиране на системата в сравнение с топологии с един централен инвертор.
• Проверете високочестотното меко превключване: Уверете се, че захранващите устройства и преобразувателите използват резонансни конфигурации DAB или LLC с възможност за меко превключване, за да се минимизира топлинната нагрузка и да се удължи срокът на експлоатация на продукта.
• Изберете отворени комуникационни протоколи: Изберете хардуер за преобразуватели, който използва отворени стандарти CAN или Modbus протоколи, за да се гарантира съвместимост с различни системи за управление на батерии (BMS) и високониво системи за управление на енергията (EMS).

В заключение, двупосочните постояннотокови преобразуватели представляват фундаментален технологичен пробив, който подобрява ефективността, безопасността и отговорността на съвременните системи за съхранение на електрическа енергия (BESS). Като елиминират забавянията при механичното превключване и осигуряват активен контрол на ниво струна, тези силови електронни компоненти са очевидната основа за енергийните системи за съхранение в следващото поколение, предназначени за мрежов мащаб.