Vier Designüberlegungen beim Hinzufügen von Energiespeicherbatterien zu einem Photovoltaiknetz

Während die Zahl der Photovoltaik (PV)-Anlagen weiter zunimmt, ist das Ungleichgewicht zwischen Angebots- und Nachfrageseite des Solarnetzes zu einem großen Hemmnis geworden. Tagsüber ist viel Sonnenenergie verfügbar, aber die Nachfrage ist nicht sehr groß. Das bedeutet, dass Kunden morgens und abends während der Hauptnutzungszeiten einen höheren Preis pro Watt zahlen.

Energiespeichersysteme (ESS) für Solaranlagen in Wohn-, Gewerbe- und öffentlichen Versorgungsunternehmen verwenden Wechselrichter, um Strom oder das Netz tagsüber zu speichern, wenn der Bedarf am geringsten ist, und um ihn zu speichern, wenn der Bedarf sehr groß ist, um die erzeugte Energie freizusetzen. Das Hinzufügen von ESS zu einem netzgekoppelten Solarsystem ermöglicht es den Benutzern, Geld bei der Verwendung einer Technologie namens „Peak Shaving“ zu sparen.

  Bidirektionale Leistungswandlung

Herkömmliche PV-Anlagen bestehen aus unidirektionalen DC/AC- und DC/DC-Leistungsstufen, aber die unidirektionale Umwandlungsmethode ist ein großes Hindernis für die Integration von ESSs. Es sind mehr Komponenten, Module und Subsysteme erforderlich, die alle die Kosten für das Hinzufügen eines ESS zu einer bestehenden Solaranlage erheblich erhöhen.

Um eine Batterie zu einem vorhandenen PV-Gerät hinzuzufügen, müssen die beiden Pfade zum Laden und Entladen der Batterie zu einem einzigen Pfad kombiniert werden, der aus der Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und den Leistungspegeln des Wechselrichters besteht. . Aber wie baut man einen bidirektionalen Stromrichter anstelle von zwei unidirektionalen Stromrichtern?

 Hybrid-Wechselrichter können den Wirkungsgrad der Umwandlungsstufe effektiv verbessern, aber diese Effizienzverbesserung ist wichtiger für mit ESS ausgestattete Microgrids, die mehrere Stromwandlungen durchführen. Das Leistungswandlersystem verwaltet die DC/DC-Wandlung, um die Batterie zu laden und zu entladen. Es verwaltet auch die DC/AC- und AC/DC-Umwandlung, die den in Batterien gespeicherten Gleichstrom in Wechselstrom für den Ein- und Ausgang aus dem Netz umwandelt.

  Hochspannungsbatterie

In einem Microgrid-System mit Speicherbatterie besteht die Hauptfunktion der Batterie darin, photovoltaische Energie zu speichern und bei Bedarf Strom in das Netz einzuspeisen. Lithium-Ionen-Batterien haben eine deutlich höhere Speicherkapazität pro Einheit als Blei-Säure-Batterien.

Während 400-V-Batterien in Elektrofahrzeugen (EVs) immer beliebter werden, erhöhen auch Solarnetzgeräte die Batteriespannung von 48 V. Aber wie schafft man die Leistungsumwandlung eines 400-V-Akkupacks?

Neben Mikrocomputern mit Systemsteuerungs- und Kommunikationsfähigkeiten, die ESS in größere Systeme integrieren, verbessern auch verlustarme und effiziente Leistungsschalter die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Energiespeichersystemen. Kompakte Leistungsschalter und Echtzeit-Mikrocomputer auf Basis von Siliziumkarbid (SiC)- und Galliumnitrid (GaN)-Materialien ermöglichen die Modifikation von Zweiwege-Wandlern, um eine Vielzahl von DC-Energiespeichereinheiten aufzunehmen.

  Dual-Active-Bridge-DC/DC-Wandler-Design

Breitbandlückenhalbleiter wie SiC und GaN spielen eine wichtige Rolle bei der Lösung von Leistungsumwandlungssystemen, die den steigenden Batteriespannungsbereich bewältigen können, da Wandler die Leistungsdichte erhöhen und Schaltverluste reduzieren. . Das Stromumwandlungssystem ermöglicht es dem Batteriepaket auch, Stromschwankungen im verteilten Stromerzeugungssystem besser zu bewältigen, was zu einem intelligenten und robusten Netzbetrieb bei höheren und breiteren Spannungen führt.

Schließlich könnten Solargeräte die in Elektroautos verwendeten Batteriepacks nachahmen. Die Idee, Batteriepakete, die derzeit in Elektrofahrzeugen als netzgekoppelte ESS verwendet werden, zu recyceln, wird immer häufiger.

  Wide-Bandgap-Materialien für Effizienz und natürliche Konvektion erforderlich

Um ein intelligentes Wandspeichersystem zu bauen, muss ein Wechselrichter entwickelt werden, der die Wärmeableitung durch minimale natürliche Konvektionskühlung optimiert. Architekturen mit verteilter Stromversorgung ermöglichen die zentrale Verteilung von Wärme im gesamten System. Diese Architektur stellt sicher, dass die erforderlichen Energiespeicher-Wechselrichter mit hohen Strömen bei unterschiedlichen Spannungen umgehen und zuverlässig auf sich schnell ändernde Lasttransienten reagieren können.

Solche Systeme erfordern Gate-Treiber, die schnelles Schalten unterstützen und Schutz bei Schaltfrequenzen von 100 kHz bis 400 kHz bieten. Wenn die Schaltgeschwindigkeit nicht schnell genug ist, werden Sie feststellen, dass die Leistungsumwandlungsphase erheblich ineffizient ist.

Hier kommen Wide-Band-Gap-Materialien mit schnellem Schalten und hoher Leistungsdichte wie SiC und GaN ins Spiel. Diese Halbleiterbauelemente erleichtern das Design von Systemen, die keine Lüfterkühlung erfordern. Das GaN-Bauteil LMG3425R030 mit integrierten Treiber- und Schutzfunktionen zeichnet sich durch ein kompaktes Profil, eine hohe Leistungsdichte und schnelles Schalten aus.

Der Gate-Treiber wandelt das digitale PWM-Signal des Controllers in den Strom um, der vom SiC- oder GaN-Feldeffekttransistor (FET) benötigt wird. Der PWM-basierte Controller ermöglicht eine genaue Abtastung von Spannung und Strom über mehrere Leistungsumwandlungsstufen.

  Strom- und Spannungserkennung

Das Design von Hochfrequenz-Schaltnetzteilen steht vor der Herausforderung einer genauen Strom- und Spannungserfassung. Strommessungen mit einem Shunt verbessern nicht nur die Genauigkeit, sondern beschleunigen auch die Reaktionszeiten, sodass Sie schnell auf Änderungen im Netz reagieren können, sodass Sie Systemverbindungen abschalten können, wenn das Netz kurzgeschlossen oder getrennt wird. Erhöht.

Strommessungen sind für Wechselrichter-zentrierte Designs unerlässlich, da der Steueralgorithmus elektrofluorometrische Messungen zur Steuerung erfordert. Einige Designlösungen sind für isolierte Strommessungen mit von externen Shunts isolierten Verstärkern/Modulatoren und Stromversorgungen verfügbar.

Stromrichter müssen den Strom im Netz messen, um festzustellen, ob der Strom in Phase mit der Spannung ist. Durch die Messung von Strom und Spannung werden neben der Steuerung des Ladestroms der Batterie auch der Wechselrichterbetrieb und die Überlastschutzfunktion gesteuert.

  Abschluss

Hybrid-Wechselrichter, die eine bidirektionale Stromwandlung zwischen AC/DC und DC/DC durchführen, werden voraussichtlich in den kommenden Jahren herkömmliche Solar-Wechselrichter ersetzen. Designer von Solarwechselrichtern können durch den Einsatz von Hybridwechselrichtern eine Leistungsumwandlung mit einem breiten Ausgangsleistungs- und Spannungsbereich erreichen.

Die Erhöhung der Batteriespannung und die Erweiterung des Spannungsbereichs sind wichtige Themen für energiespeicherfähige Solarwechselrichter. Mit wesentlichen Komponenten wie Mikrocomputersteuerung und Halbleitern mit breiter Bandlücke mit eingebauten Gate-Treibern und Schutz können diese höheren und breiteren Zellspannungen zusätzlich zu der Notwendigkeit eines hohen Wirkungsgrads und einer natürlichen Konvektion unterstützt werden.