Компоненты и структура систем накопления энергии (BESS)

BESS (система накопления энергии в батареях) состоит из четырех основных частей: системы батарей (BS), системы преобразования энергии (PCS), системы управления батареями (BMS) и системы мониторинга. В реальном применении для удобства проектирования, управления и контроля батарейные системы, PCS и BMS обычно собираются в модульные BESS, в то время как система мониторинга предназначена для наблюдения, управления и контроля одного или нескольких модульных BESS.

Система батарей является основным носителем для хранения и высвобождения энергии в BESS. Её ёмкость и состояние напрямую влияют на способность к преобразованию энергии и её надёжность. Ёмкость системы батарей может быть увеличена за счёт последовательного/параллельного соединения отдельных ячеек, что приводит к созданию больших систем батарей (LCBS). Из-за низкого напряжения на ячейках, ограниченной удельной энергии и мощности, а также низких коэффициентов зарядки-разрядки, LCBS обычно состоят из тысяч ячеек, соединенных последовательно и параллельно. Один из часто используемых методов в реальном применении заключается в создании модулей батарей (BM) из нескольких ячеек, соединенных последовательно и параллельно, затем соединение этих модулей в батарейные строки, и наконец, параллельное соединение нескольких батарейных строк для создания LCBS. В процессе формирования системы батарей обычно следуют принципам удобства управления и замены ячеек, а также учитывают количество интерфейсов в BMS. Количество последовательных модулей в батарейных строках определяется требуемым напряжением на выходе, а параллельное количество батарейных строк в LCBS зависит от требуемой ёмкости системы, резервирования и режима работы.

PCS – это устройство, состоящее из силовых электронных преобразователей, которое соединяет систему батарей с сеткой переменного тока. PCS является ключевой частью для обмена энергией между BESS и внешней средой. Основные функции PCS включают зарядку и разрядку системы батарей в двух рабочих режимах (сетка и автономный режим) и переключение между ними; управление активной и реактивной мощностью для поддержания баланса системы; реализация передовых функций, таких как черный пуск, сглаживание пиков и спадов, низковольтное прохождение и другие. В зависимости от топологии PCS (одноступенчатое AC/DC, двухступенчатое AC/DC+DC/DC, параллельное соединение, каскадные многоуровневые структуры и т. д.), PCS управляет напряжением и состоянием заряда батарей. PCS является наиболее важной частью BESS, и разработка стратегий управления и тестовых платформ является одной из ключевых задач данной статьи.

BMS – это система реального времени, состоящая из электронных устройств, которая эффективно мониторит состояние системы батарей (напряжение, ток, температура, состояние заряда, состояние здоровья и т. д.), управляет процессами зарядки и разрядки (предотвращает перезаряд и переразряд), сигнализирует о неисправностях и обеспечивает защиту, а также оптимизирует работу системы батарей, гарантируя её безопасность и надёжность. BMS является незаменимой частью BESS и обеспечивает эффективную и надёжную работу системы. Оценка состояния заряда (SOC) системы батарей и её компонентов является ключевым показателем для надёжной работы и управления системой, поэтому точное определение SOC является одной из основных функций BMS.

На данный момент исследования и разработки BESS находятся на начальной стадии, и не существует единой и зрелой структуры системы. Структура системы зависит от способа увеличения её ёмкости. В настоящее время существуют два основных способа увеличения ёмкости BESS: первый способ заключается в увеличении ёмкости одного PCS с помощью высоковольтных, высокотоковых преобразователей или каскадной многоуровневой технологии; второй способ – это параллельное соединение нескольких модульных BESS для увеличения ёмкости. Хотя первый способ проще и лучше подходит для систем с высоким напряжением и большой ёмкостью, его использование ограничено развитием силовых электронных устройств, инвестиционными затратами и технологиями управления. В настоящее время первый способ редко используется в крупных BESS.

Второй способ предусматривает параллельное соединение нескольких модульных BESS. В зависимости от способа подключения, уровня мощности и продолжительности разряда, типичные структуры BESS включают: низковольтные маломощные BESS, средневольтные мощные BESS и высоковольтные сверхмощные BESS. Низковольтные маломощные BESS подключаются напрямую к сети 400 В, имеют номинальную мощность до 500 кВт и могут разряжаться в течение 1-4 часов, подходя для использования в микроэлектросетях, жилых домах и небольших возобновляемых энергосистемах. Средневольтные мощные BESS подключаются к сети 10 кВ или 35 кВ через трансформаторы, имеют номинальную мощность до 10 МВт и могут разряжаться в течение 1-4 часов, подходя для управления качеством электроэнергии, сглаживания пиков и спадов, резервного питания и подключения к возобновляемым источникам энергии. Высоковольтные сверхмощные BESS подключаются к сети 35 кВ или 110 кВ, имеют номинальную мощность выше 10 МВт и могут разряжаться в течение 15 минут – 6 часов, подходя для сглаживания пиков и спадов, управления частотой, резервного питания и подключения к возобновляемым источникам энергии.

Сравнительный анализ этих типичных структур BESS показывает, что увеличение ёмкости BESS достигается за счёт параллельного соединения модульных BESS, что обеспечивает лёгкое масштабирование, возможность горячей замены и высокую надёжность. Модульное параллельное соединение BESS является одним из эффективных способов создания систем большой