Kodėl dvikrypčiai nuolatinės srovės–nuolatinės srovės keitikliai yra naujos kartos akumuliatorių energijos kaupimo sistemų (BESS) pagrindas

Įvadas: Baterijų energijos kaupimo sistemų (BESS) sparčiusis mastelio didinimas

Kai viso pasaulio elektros tinklas peršoka prie decentralizuotų atsinaujinančių energijos šaltinių, tokių kaip saulės ir vėjo energija, didelios talpos baterijų energijos kaupimo sistemų (BESS) poreikis staigiai išaugo. Šios sistemos daugiau nėra tik neprivalomi papildiniai autonominėms sistemoms; jos tapo esminiais tinklo ištekliais, naudojamais dažnio reguliavimui, saulės energijos viršūnių perkėlimui, pakilimo greičio valdymui ir avariniam energijos tiekimui. Šiuolaikinė BESS yra didelė investicija – nuo šimtų kilovatvalandžių iki kelių megavatų tinklui prijungtų įrenginių.

Bet kurios baterijų energijos kaupimo sistemų (BESS) pagrindas yra galios elektronikos įranga, kuri valdo elektros srovės srautą tarp elektrocheminių elementų ir naudingosios energijos tinklo ar vietinio kintamosios srovės (AC) magistralės. Nors tradiciniai kaupimo sprendimai remdavosi vienkryptėmis keitikliais ar sudėtingomis relėmis valdomomis jungimo grandinėmis, naujos kartos BESS architektūros nustatė dvikryptius nuolatinės srovės (DC-DC) keitiklius kaip neatsitrenkiamą reikalavimą. Pirkimų vadovams, pramonės projektų kūrėjams ir sistemos architektams suprasti šių dvikrypčių keitiklių inžinerinius pranašumus yra esminis veiksnys renkantis tinkamą kaupimo įrangą.

K: Kodėl dvikryptės nuolatinės srovės (DC-DC) keitikliai laikomi baterijų energijos kaupimo sistemų (BESS) ateities sprendimu lyginant su tradicinėmis vienkryptėmis topologijomis?

Atsakymas:

Dvikryptiniai nuolatinės srovės–nuolatinės srovės keitikliai yra būsimasis akumuliatorių energijos kaupimo sistemų (BESS) sprendimas, nes jie leidžia nuolatinį dvikryptį galios srautą per vieną integruotą puslaidininkinę topologiją, pašalindami reikėjimą naudoti didelius mechaninius relės jungiklius ar atskirus įkrovos ir iškrovos grandinių blokus. Jie uždaro didžiulius įtampų skirtumus tarp žemos įtampos akumuliatorių paketų ir aukštos įtampos nuolatinės srovės ar kintamosios srovės magistralių (pvz., nuo 400 V iki 1500 V nuolatinės srovės), o jų konversijos naudingumo koeficientas viršija 98 procentus.

Be to, dvikryptiniai keitikliai leidžia įdiegti pažangias sistemos funkcijas. Tarp jų – dinaminė akumuliatorių įkrova ir iškrova su reakcijos laiku mažesniu nei milisekundė, pasyvioji ir aktyvioji akumuliatorių paketų elementų balansavimo funkcija, tikslus krūvio būklės (SoC) reguliavimas bei defektinės akumuliatorių grandinės izoliavimas be visos energijos kaupimo sistemos veiklos sutrikdymo. Atnaujinus į dvikryptinius keitiklių modulius BESS kūrėjai gali sumažinti bendrą įrangos užimamą plotą iki 40 procentų, sumažinti šiluminę apkrovą ir sumažinti energijos kaupimo objekto viso gyvavimo ciklo sąnaudas.

Techninis pranašumas 1: Bebūdės galios srautas ir submilisekundžių atsakymo laikai

Tradicinėse akumuliatorių sistemose baterijos įkrovimas iš saulės elektrinės ir jos iškrovimas į tinklą reikalavo atskirų, nepriklausomų vienkryptių konverterių grandinių. Perjungimas tarp šių veiksenų reikalavo fizinio kontaktorių ar relės atjungimo ir prijungimo.

• Mechaninės delšos pašalinimas: Fizinės relės perjungimo metu sukelia 10–50 milisekundžių delšą. Ši delša yra nepriimtina šiuolaikinėse tinklo stabilizavimo aplikacijose, pvz., pirminėje dažnio reguliacijoje. Dvikryptės nuolatinės srovės–nuolatinės srovės (DC–DC) konverterių tiltai sudaryti iš simetrinės puslaidininkių jungiklių (pvz., silicio karbido MOSFET’ų) grandinės, kuri gali akimirksniu pakeisti srovės kryptį. Tai pasiekiamas keičiant jungiklių valdymo signalus, leidžiant galios krypties pakeitimą per mažiau nei vieną milisekundę.
• Dinaminė tinklo stabilizacija: BESS gebėjimas per milisekundės dalį pereiti nuo įkrovimo prie iškrovimo leidžia jam sugerti tinklo trumpalaikius pernaptis ir nedelsiant paduoti energiją, kad būtų užkirstas kelias įtampoms kristi. Šis aukšto greičio veikimas yra esminis mikrotinklo atsparumui ir tinklo masto stabilumui.

Techninis pranašumas 2: Platus įtampų diapazonas ir sistemos standartizavimas

Šiuolaikinės akumuliatorių technologijos yra labai modulinės. Atskiri litio jonų akumuliatorių elementai sujungiami į paketus, modulius ir grandines. Visos akumuliatorių grandinės įtampa nuolat kinta priklausomai nuo jos krūvio būklės – nuo giliai iškrautos iki visiškai įkrautos.

• DC magistralės tarpelio uždarymas: centrinis inversinis keitiklis arba DC-AC tinklo sąsajos įrenginys veikia efektyviausiai esant aukštai ir stabiliai DC magistralės įtampai (dažniausiai 800–1500 V nuolatinės srovės). Tuo tarpu akumuliatorių grandinės gali veikti nominalia 400 V nuolatinės srovės įtampoje. Dviejų krypčių DC-DC keitiklis veikia kaip aktyvus įtampos buferis. Išsikraunant jis padidina kintamą 400 V akumuliatoriaus įtampą iki stabilios 800 V DC magistralės įtampos. Įkraunant jis sumažina 800 V DC magistralės įtampą iki reikiamos akumuliatoriaus cheminėms elementams įtampos, dinamiškai reguliuodamas įtampą, kad sektų CC-CV (pastoviosios srovės – pastoviosios įtampos) įkrovimo profilį.
• Aukšta konversijos naudingumo našumas: naudojant šiuolaikiškas rezonansines topologijas, pvz., dviejų aktyvių tiltų ar LLC rezonansinį keitiklį, dviejų krypčių keitikliai gali pasiekti nulinės įtampos jungimą (ZVS) arba nulinės srovės jungimą (ZCS). Šis minkštojo jungimo inžinerinis sprendimas žymiai sumažina jungimo nuostolius, leisdamas keitikliui išlaikyti 98,5 procentų naudingumo našumą plačiame įtampų diapazone.

Techninis pranašumas 3: aktyvus lygiuojimas ir gedimų izoliavimas kiekvieno baterijos grandinės lygyje

Didelėse BESS įrenginių sistemose kelios baterijos grandinės yra sujungiamos lygiagrečiai prie bendros nuolatinės srovės (DC) magistralės. Jei viena iš grandinių turi žemesnį įtampą arba sugenda viena iš elementų, ji gali sukelti cirkuliuojančią srovę iš gretimų grandinių, dėl ko kyla perkaitimo, greitesnio elementų senėjimo arba šiluminio nekontroliuojamo proceso pavojus.

• Grandinės lygio keitikliai: naujos kartos BESS projektavime kiekvienai atskirai baterijos grandinei naudojamas specialus dvikryptis nuolatinės srovės–nuolatinės srovės (DC–DC) keitiklis, o ne visos grandinės tiesiogiai prijungiamos prie centro keitiklio. Ši pasiskirstytoji architektūra leidžia sistemai kiekvieną baterijos grandinę valdyti nepriklausomai. Keitiklis dinamiškai reguliuoja kiekvienos grandinės įkrovos srovę remdamasis jos unikaliu sveikatos būsenos (SOH) rodikliu ir vidine varža, taip visiškai užkertant kelią cirkuliuojančioms srovėms.
• Elektroninis izoliavimas: jei konkrečioje grandinėje aptinkama elementų defektas arba šiluminis nukrypimas, specializuotas dvikryptis keitiklis gali nedelsdamas sustabdyti savo perjungimo impulsus, elektroniškai izoliuodamas tą grandinę nuo aukštojo įtampos nuolatinės srovės magistralės. Likusioji BESS sistema gali toliau veikti pilna galia, leisdama atlikti karščio keitimą ir maksimaliai padidinti sistemos prieinamumą.

JYINS Electrical: Aukštos kokybės dvikryptės energijos konversijos inžinerija

„JYINS Electrical“ įsitvirtinome kaip patikima įmonė, kuri projektuoja ir gamina tvirtas, aukštos našumo energijos konversijos elektronines sistemas. Mūsų inžinerijos komandos sukūrė specializuotus dvikriptius nuolatinės srovės keitiklius ir protinguosius hibridinius invertorius, kurie atitinka šiuolaikinių BESS kūrėjų griežtus reikalavimus:

• Pažangus silicio karbido (SiC) integravimas: mūsų dvikryptėse konstrukcijose naudojami aukštos kokybės SiC energijos puslaidininkiai, kurie leidžia aukšto dažnio perjungimą, išsklaidyti puikią šiluminę apkrovą ir pasiekti iki 98,8 proc. viršūninį naudingumo koeficientą.
• Intelektualūs DSP valdikliai: JYINS keitikliai naudoja greitus skaitmeninius signalų procesorius, kad vykdytų sudėtingus uždarosios kilpos valdymo algoritmus, užtikrindami stabilų įtampos reguliavimą ir be trukdžių, ultra greitą galios srauto krypties keitimą.
• Išsamūs apsaugos komplektai: Mūsų įranga turi integruotą per įtampą, per didelę srovę, trumpąjį jungimą ir per aukštą temperatūrą apsaugą, užtikrinančią saugų veikimą aukštos galios komercinėse ir pramoninėse (C&I) bei mikrotinklo sistemose.
• Be trukdžių BMS integracija: JYINS įranga turi integruotus CAN magistralės ir Modbus ryšio sąsajos, leidžiančias realiuoju laiku koordinuoti valdymą su baterijų valdymo sistema (BMS).

Geriausios praktikos BESS pirkimui ir sistemos architektūrai

Kuriant ar perkant įrangą komerciniam ar pramoniniam BESS projektui, kūrėjai turėtų dėti dėmesį į tris esminius inžinerijos principus:

• Pasirinkite paskirstytas nuolatinės srovės–nuolatinės srovės (DC-DC) architektūras: standartizuojant dvikrypčius DC-DC keitiklius eilutės lygyje pasiekiamas aukštesnis saugos lygis, pašalinami cirkuliuojantys srovės, o sistemos mastelio didinimas tampa lengvesnis palyginti su vieno centro-invertoriaus topologijomis.
• Patikrinkite aukštąjį dažnį ir minkštąjį jungimo būdą: įsitikinkite, kad maitinimo šaltiniai ir keitikliai naudoja DAB arba LLC rezonansines konfigūracijas su minkštuju jungimo būdu, kad būtų sumažinta šiluminė apkrova ir pratęstas gaminio tarnavimo laikas.
• Pasirinkite atviruosius ryšių protokolus: pasirinkite keitiklių įrangą, kuri naudoja atvirus standartus – CAN arba Modbus protokolus, kad būtų užtikrinta suderinamumas su įvairiomis akumuliatorių valdymo sistemomis (BMS) ir aukštojo lygio energijos valdymo sistemomis (EMS).

Apibendrinant, dvikrypčiai nuolatinės srovės–nuolatinės srovės keitikliai atstovauja esminį technologijų poslinkį, kuris didina šiuolaikinių baterijų energijos kaupimo sistemų (BESS) veiksmingumą, saugumą ir reaktyvumą. Pašalinę mechaninio jungiklio delsas ir įgalinę aktyvų valdymą kiekvieno baterijų paketo lygyje, šie galios elektronikos įrenginiai tampa aiškiu pagrindu naujos kartos, elektros tinklo masto energijos kaupimo sistemoms.