Quatro considerações de projeto ao adicionar equipamentos de bateria de armazenamento de energia a uma rede fotovoltaica

Enquanto o número de instalações fotovoltaicas (PV) continua a crescer, o desequilíbrio entre os lados da oferta e da demanda da rede solar tornou-se uma grande restrição. Há muita energia solar disponível durante o dia, mas a demanda não é muito grande. Isso significa que os clientes pagarão um preço mais alto por watt pela manhã e à noite durante os horários de pico de uso.

Os sistemas de armazenamento de energia (ESS) para dispositivos solares em serviços residenciais, comerciais e públicos usam inversores para armazenar eletricidade ou a rede durante o dia quando a demanda é menor e para armazenar quando a demanda é grande, liberando a energia que foi gerada. Adicionar ESS a um sistema solar conectado à rede permite que os usuários economizem dinheiro com o uso de uma tecnologia chamada "redução de pico".

  Conversão de Energia Bidirecional

O equipamento fotovoltaico tradicional consiste em estágios de energia DC/AC e DC/DC unidirecionais, mas o método de conversão unidirecional é um grande obstáculo para a incorporação de ESSs. Mais componentes, módulos e subsistemas são necessários, o que aumenta significativamente o custo de adicionar um ESS a uma instalação solar existente.

Para adicionar uma bateria a um dispositivo fotovoltaico existente, os dois caminhos de carga e descarga da bateria devem ser combinados em um único caminho que consiste na correção do fator de potência (PFC) e nos níveis de potência do inversor. . Mas como você constrói um conversor de energia bidirecional em vez de dois conversores de energia unidirecionais?

 Os inversores híbridos podem efetivamente melhorar a eficiência do estágio de conversão, mas essa melhoria de eficiência é mais importante para microrredes equipadas com ESS que executam múltiplas conversões de energia. O sistema conversor de energia gerencia a conversão DC/DC para carregar e descarregar a bateria. Ele também gerencia a conversão DC/AC e AC/DC, que converte a corrente contínua armazenada nas baterias em corrente alternada para entrada e saída da rede.

  bateria de alta voltagem

Em um sistema de microrrede com bateria de armazenamento, a principal função da bateria é armazenar energia fotovoltaica e fornecer energia à rede sob demanda. As baterias de íons de lítio têm uma capacidade de armazenamento significativamente maior por unidade do que as baterias de chumbo-ácido.

Enquanto as baterias de 400V estão ganhando popularidade em veículos elétricos (EVs), os dispositivos de rede solar também estão aumentando a voltagem da bateria de 48V. Mas como você gerencia a conversão de energia de uma bateria de 400V?

Além de microcomputadores com controle de sistema e recursos de comunicação que incorporam ESS em sistemas maiores, interruptores de energia eficientes e de baixa perda também melhoram a segurança e a confiabilidade dos sistemas de armazenamento de energia. Interruptores de energia compactos e microcomputadores em tempo real baseados em materiais de carboneto de silício (SiC) e nitreto de gálio (GaN) permitem a modificação de conversores bidirecionais para acomodar uma variedade de unidades de armazenamento de energia CC.

  Projeto de Conversor CC/CC de Ponte Ativa Dupla

Os semicondutores de gap de banda larga, como SiC e GaN, desempenham um papel importante na solução de sistemas de conversão de energia que podem lidar com o aumento da faixa de tensão da bateria, pois os conversores aumentam a densidade de energia e reduzem as perdas de comutação. . O sistema de conversão de energia também permite que a bateria gerencie melhor as flutuações de energia no sistema de geração distribuída, resultando em uma operação de rede inteligente e resiliente em voltagens mais altas e mais amplas.

Eventualmente, os dispositivos solares podem imitar as baterias usadas em carros elétricos. A ideia de reciclar baterias usadas atualmente em veículos elétricos como ESS conectados à rede está se tornando comum.

  Materiais de bandgap largos necessários para eficiência e convecção natural

Para construir um sistema inteligente de armazenamento montado na parede, é necessário projetar um inversor que otimize a dissipação de calor usando o mínimo de resfriamento convectivo natural. As arquiteturas de energia distribuída permitem que o calor seja distribuído centralmente por todo o sistema. Essa arquitetura garante que os inversores de armazenamento de energia necessários possam lidar com altos níveis de corrente em diferentes tensões e responder de forma confiável a transientes de carga que mudam rapidamente.

Tais sistemas requerem gate drivers que suportam comutação de alta velocidade e fornecem proteção em frequências de comutação de 100kHz a 400kHz. Se a velocidade de comutação não for rápida o suficiente, você descobrirá que a fase de conversão de energia é significativamente ineficiente.

É aqui que entram os materiais de intervalo de banda larga com comutação rápida e altas densidades de potência, como SiC e GaN. Esses dispositivos semicondutores facilitam o projeto de sistemas que não requerem resfriamento por ventilador. O dispositivo LMG3425R030 GaN com driver integrado e recursos de proteção apresenta perfil compacto, alta densidade de potência e comutação rápida.

O gate driver converte o sinal PWM digital do controlador na corrente exigida pelo transistor de efeito de campo (FET) SiC ou GaN. O controlador baseado em PWM permite amostragem precisa de tensão e corrente em vários estágios de conversão de energia.

  Detecção de Corrente e Tensão

O projeto da fonte de alimentação de comutação de alta frequência enfrenta o desafio de detecção precisa de corrente e tensão. As medições de corrente com um shunt não apenas melhoram a precisão, mas também aceleram os tempos de reação, permitindo que você reaja rapidamente a qualquer alteração na rede, para que você possa desligar as conexões do sistema se a rede estiver em curto-circuito ou desconectada. Aumentou.

As medições de corrente são essenciais para projetos centrados no inversor, pois o algoritmo de controle requer medições eletrofluométricas para controle. Algumas soluções de projeto estão disponíveis para medições de corrente isoladas usando amplificadores/moduladores e fontes de alimentação isoladas de shunts externos.

Os conversores de energia precisam medir a corrente na rede para ver se a corrente está em fase com a tensão. Ao medir a corrente e a tensão, além de controlar a corrente de carga da bateria, a operação do inversor e a função de proteção contra sobrecarga também são controladas.

  Conclusão

Espera-se que os inversores híbridos, que realizam conversão de energia bidirecional entre CA/CC e CC/CC, substituam os inversores solares tradicionais nos próximos anos. Os projetistas de inversores solares poderão obter conversão de energia com uma ampla faixa de potência e tensão de saída usando inversores híbridos.

Aumentar a tensão da bateria e expandir a faixa de tensão são questões importantes para inversores solares compatíveis com armazenamento de energia. Com componentes essenciais, como controle de microcomputador e semicondutores de bandgap amplo com proteção e drivers de porta integrados, essas tensões de célula mais altas e mais amplas podem ser suportadas, além da necessidade de alta eficiência e convecção natural.