Bốn cân nhắc thiết kế khi thêm thiết bị pin lưu trữ năng lượng vào lưới quang điện

Trong khi số lượng cơ sở quang điện (PV) tiếp tục tăng, sự mất cân bằng giữa cung và cầu của lưới điện mặt trời đã trở thành một hạn chế lớn. Có rất nhiều năng lượng mặt trời có sẵn trong ngày, nhưng nhu cầu không nhiều lắm. Điều đó có nghĩa là khách hàng sẽ trả giá cao hơn cho mỗi watt vào buổi sáng và buổi tối trong giờ sử dụng cao điểm.

Hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) cho các thiết bị năng lượng mặt trời trong khu dân cư, thương mại và tiện ích công cộng sử dụng bộ biến tần để lưu trữ điện hoặc lưới điện vào ban ngày khi nhu cầu thấp nhất và để lưu trữ khi nhu cầu lớn, giải phóng năng lượng đã được tạo ra. Việc thêm ESS vào hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới cho phép người dùng tiết kiệm tiền khi sử dụng công nghệ gọi là "cạo đỉnh".

  Chuyển đổi năng lượng hai chiều

Thiết bị PV truyền thống bao gồm các giai đoạn nguồn DC/AC và DC/DC một chiều, nhưng phương pháp chuyển đổi một chiều là một trở ngại lớn đối với việc kết hợp các ESS. Cần có nhiều thành phần, mô-đun và hệ thống phụ hơn, tất cả đều làm tăng đáng kể chi phí bổ sung ESS vào hệ thống lắp đặt năng lượng mặt trời hiện có.

Để thêm pin vào thiết bị PV hiện có, hai đường sạc và xả pin phải được kết hợp thành một đường duy nhất bao gồm hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC) và mức công suất biến tần. . Nhưng làm thế nào để bạn xây dựng một bộ chuyển đổi năng lượng hai chiều thay vì hai bộ chuyển đổi năng lượng một chiều?

 Bộ biến tần lai có thể cải thiện hiệu suất của giai đoạn chuyển đổi một cách hiệu quả, nhưng việc cải thiện hiệu quả này quan trọng hơn đối với các lưới điện siêu nhỏ được trang bị ESS thực hiện nhiều chuyển đổi năng lượng. Hệ thống chuyển đổi nguồn quản lý việc chuyển đổi DC/DC để sạc và xả pin. Nó cũng quản lý chuyển đổi DC/AC và AC/DC, giúp chuyển đổi dòng điện một chiều được lưu trữ trong pin thành dòng điện xoay chiều cho cả dòng vào và dòng ra từ lưới điện.

  pin điện áp cao

Trong hệ thống lưới điện siêu nhỏ có pin lưu trữ, chức năng chính của pin là lưu trữ năng lượng quang điện và cung cấp điện cho lưới điện theo yêu cầu. Pin lithium-ion có dung lượng lưu trữ trên mỗi đơn vị cao hơn đáng kể so với pin axit-chì.

Trong khi pin 400V đang trở nên phổ biến trong xe điện (EV), các thiết bị lưới điện mặt trời cũng đang tăng điện áp pin từ 48V. Nhưng làm thế nào để bạn quản lý việc chuyển đổi năng lượng của bộ pin 400V?

Ngoài các máy vi tính có khả năng liên lạc và điều khiển hệ thống tích hợp ESS vào các hệ thống lớn hơn, các công tắc nguồn hiệu quả và tổn thất thấp cũng cải thiện độ an toàn và độ tin cậy của các hệ thống lưu trữ năng lượng. Công tắc nguồn nhỏ gọn và máy vi tính thời gian thực dựa trên vật liệu silicon carbide (SiC) và gallium nitride (GaN) cho phép sửa đổi bộ chuyển đổi hai chiều để phù hợp với nhiều thiết bị lưu trữ năng lượng DC.

  Thiết kế bộ chuyển đổi DC/DC cầu chủ động kép

Các chất bán dẫn dải rộng như SiC và GaN đóng một vai trò quan trọng trong việc giải quyết các hệ thống chuyển đổi năng lượng có thể xử lý dải điện áp pin tăng lên khi bộ chuyển đổi tăng mật độ năng lượng và giảm tổn thất chuyển mạch. . Hệ thống chuyển đổi năng lượng cũng cho phép bộ pin quản lý tốt hơn các dao động năng lượng trong hệ thống phát điện phân tán, dẫn đến vận hành lưới điện thông minh và linh hoạt ở điện áp cao hơn và rộng hơn.

Cuối cùng, các thiết bị năng lượng mặt trời có thể bắt chước các bộ pin được sử dụng trong ô tô điện. Ý tưởng tái chế các bộ pin hiện đang được sử dụng trong xe điện dưới dạng ESS nối lưới đang trở nên phổ biến.

  Vật liệu có dải thông rộng cần thiết cho hiệu quả và đối lưu tự nhiên

Để xây dựng một hệ thống lưu trữ treo tường thông minh, cần phải thiết kế một biến tần giúp tối ưu hóa quá trình tản nhiệt bằng cách sử dụng phương pháp làm mát đối lưu tự nhiên ở mức tối thiểu. Kiến trúc năng lượng phân tán cho phép nhiệt được phân phối tập trung trong toàn hệ thống. Kiến trúc này đảm bảo rằng các bộ biến tần lưu trữ năng lượng cần thiết có thể xử lý các mức dòng điện cao ở các điện áp khác nhau và đáp ứng một cách đáng tin cậy với các quá độ tải thay đổi nhanh chóng.

Các hệ thống như vậy yêu cầu trình điều khiển cổng hỗ trợ chuyển mạch tốc độ cao và cung cấp khả năng bảo vệ ở tần số chuyển mạch từ 100kHz đến 400kHz. Nếu tốc độ chuyển đổi không đủ nhanh, bạn sẽ thấy rằng giai đoạn chuyển đổi năng lượng kém hiệu quả.

Đây là lúc các vật liệu có khe hở băng rộng với khả năng chuyển mạch nhanh và mật độ công suất cao, chẳng hạn như SiC và GaN, xuất hiện. Các thiết bị bán dẫn này tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế các hệ thống không yêu cầu làm mát bằng quạt. Thiết bị LMG3425R030 GaN với các tính năng bảo vệ và trình điều khiển tích hợp có cấu hình nhỏ gọn, mật độ năng lượng cao và chuyển mạch nhanh.

Trình điều khiển cổng chuyển đổi tín hiệu PWM kỹ thuật số của bộ điều khiển thành dòng điện theo yêu cầu của bóng bán dẫn hiệu ứng trường SiC hoặc GaN (FET). Bộ điều khiển dựa trên PWM cho phép lấy mẫu chính xác điện áp và dòng điện qua nhiều giai đoạn chuyển đổi năng lượng.

  Phát hiện dòng điện và điện áp

Thiết kế nguồn cung cấp năng lượng chuyển đổi tần số cao phải đối mặt với thách thức về cảm biến dòng điện và điện áp chính xác. Các phép đo dòng điện với một shunt không chỉ cải thiện độ chính xác mà còn tăng tốc thời gian phản ứng, cho phép bạn phản ứng nhanh với bất kỳ thay đổi nào trong lưới điện, do đó bạn có thể ngắt kết nối hệ thống nếu lưới điện bị đoản mạch hoặc ngắt kết nối. Tăng.

Các phép đo dòng điện rất cần thiết cho các thiết kế lấy biến tần làm trung tâm, vì thuật toán điều khiển yêu cầu các phép đo điện lưu để điều khiển. Một số giải pháp thiết kế có sẵn cho các phép đo dòng điện cách ly sử dụng bộ khuếch đại/bộ điều chế và nguồn điện cách ly với các shunt bên ngoài.

Bộ đổi nguồn cần đo dòng điện trong lưới xem dòng điện có cùng pha với điện áp hay không. Bằng cách đo dòng điện và điện áp, ngoài việc kiểm soát dòng sạc của ắc quy, hoạt động của biến tần và chức năng bảo vệ quá tải cũng được kiểm soát.

  Phần kết luận

Bộ biến tần lai, thực hiện chuyển đổi năng lượng hai chiều giữa AC/DC và DC/DC, dự kiến ​​sẽ thay thế bộ biến tần năng lượng mặt trời truyền thống trong những năm tới. Các nhà thiết kế bộ biến tần năng lượng mặt trời sẽ có thể đạt được sự chuyển đổi năng lượng với công suất đầu ra và dải điện áp rộng bằng cách sử dụng bộ biến tần lai.

Tăng điện áp pin và mở rộng phạm vi điện áp là những vấn đề quan trọng đối với bộ biến tần năng lượng mặt trời tương thích với bộ lưu trữ năng lượng. Với các thành phần thiết yếu như điều khiển máy vi tính và chất bán dẫn dải thông rộng với trình điều khiển và bảo vệ cổng tích hợp, các điện áp tế bào cao hơn và rộng hơn này có thể được hỗ trợ bên cạnh nhu cầu về hiệu quả cao và đối lưu tự nhiên.