Электрохимическая система хранения энергии состоит из двух частей: стороны постоянного тока и стороны переменного тока. Сторона постоянного тока представляет собой хранилище батарей, включающее батареи, системы контроля температуры, противопожарной защиты, распределительные шкафы, контейнеры и другое оборудование, а сторона переменного тока — это хранилище электроэнергии, включающее преобразователи энергии, трансформаторы, контейнеры и т. д. Взаимодействие электрической энергии между системой хранения энергии и сетью осуществляется посредством преобразования переменного тока в постоянный с помощью преобразователя PCS.
1. Классификация систем хранения энергии
В зависимости от электрической структуры крупномасштабные системы хранения энергии можно разделить на следующие категории:
(1) Централизованная: низковольтная, мощная централизованная система хранения энергии повышающего типа, подключенная к сети. Несколько кластеров батарей соединены параллельно, а затем подключены к PCS. PCS стремится к высокой мощности и высокой эффективности. В настоящее время продвигается решение на 1500 В.
(2) Распределенная: низковольтная и маломощная распределенная повышающая система накопления энергии, подключенная к сети, каждый кластер батарей подключен к блоку PCS, и PCS имеет маломощную распределенную компоновку.
(3) Интеллектуальный стринговый тип: На основе архитектуры распределенной системы хранения энергии используются инновационные технологии, такие как оптимизация энергопотребления на уровне батарейных модулей, управление энергопотреблением отдельных кластеров батарей, цифровое интеллектуальное управление и полностью модульная конструкция, что позволяет добиться более эффективного применения систем хранения энергии.
(4) Высоковольтная каскадная система хранения энергии высокой мощности: инвертор с одним кластером батарей, напрямую подключенный к электросети с уровнем напряжения выше 6/10/35 кВ без трансформатора. Емкость одного блока может достигать 5 МВт/10 МВт·ч.
(5) Распределенный тип: Несколько ответвлений на стороне постоянного тока соединены параллельно, на выходе аккумуляторного блока добавлен преобразователь постоянного тока для изоляции аккумуляторного блока, и преобразователи постоянного тока подключаются к стороне постоянного тока централизованной системы управления питанием после сбора.
2. Итерационный подход к разработке технологий хранения энергии строится вокруг вопросов безопасности, стоимости и эффективности.
Безопасность, стоимость и эффективность — ключевые вопросы, которые необходимо решить при разработке систем хранения энергии. Суть усовершенствования технологий хранения энергии заключается в повышении безопасности, снижении стоимости и повышении эффективности.
(1) Безопасность
Безопасность электростанций с накопителями энергии является наиболее актуальной проблемой в отрасли. Потенциальные угрозы безопасности электрохимических электростанций с накопителями энергии включают пожары, вызванные электричеством, пожары, вызванные батареями, взрывы водорода в случае пожара, системные сбои и т. д. Причина проблем с безопасностью электростанции с накопителями энергии обычно связана с тепловым разгоном батареи. Причинами теплового разгона являются механические повреждения, электрические повреждения и перегрев. Для предотвращения проблем с безопасностью необходимо строго контролировать состояние батареи, чтобы избежать возникновения факторов, способствующих тепловому разгону.
(2) Высокая эффективность
Стабильность характеристик элементов является ключевым фактором, влияющим на эффективность системы. Стабильность батареи зависит от ее качества, используемой технологии хранения энергии и условий эксплуатации. По мере увеличения количества циклов работы батареи различия между ней постепенно проявляются. Различия в фактических условиях эксплуатации при одновременной работе нескольких батарей приводят к усугублению этих различий, что создает проблемы для управления системой управления батареей (BMS) и даже может привести к проблемам с безопасностью. При проектировании и эксплуатации энергонакопительной электростанции необходимо максимально повысить стабильность характеристик батарей для повышения эффективности системы.
(3) Низкая стоимость
Стоимость системы хранения энергии зависит от первоначальных инвестиций и срока службы. Старение и износ материалов батареи, система зарядки и разрядки, рабочая температура батареи и однородность мономеров — все это влияет на срок службы батареи. Если разница температур внутри батареи превышает 10 градусов, срок службы батареи сокращается более чем на 15%. Различия в повышении температуры между модулями также могут привести к сокращению общего срока службы системы. Система хранения энергии должна улучшать срок службы за счет оптимизации методов зарядки и разрядки, уменьшения разницы температур между системами и повышения однородности батареи.
3. Технологический путь интеграции систем хранения энергии: постепенное совершенствование топологических схем.
(1) Централизованное решение: 1500 В вместо 1000 В стало тенденцией
С развитием централизованных ветроэнергетических установок и увеличением емкости систем хранения энергии, высоковольтное постоянное напряжение стало основным техническим решением для снижения затрат и повышения эффективности, и системы хранения энергии с напряжением постоянного тока, повышенным до 1500 В, постепенно становятся трендом. По сравнению с традиционной системой на 1000 В, система на 1500 В увеличивает выдерживаемое напряжение кабелей, аппаратных модулей BMS, PCS и других компонентов с не более чем 1000 В до не более чем 1500 В. Техническое решение для систем хранения энергии на 1500 В заимствовано из фотоэлектрических систем. Согласно статистике CPIA, в 2021 году рыночная доля отечественных фотоэлектрических систем с уровнем напряжения постоянного тока 1500 В составляла около 49,4%, и ожидается, что в будущем она постепенно увеличится почти до 80%. Системы хранения энергии на 1500 В помогут улучшить совместимость с фотоэлектрическими системами.
Производительность системы хранения энергии на 1500 В также улучшена по сравнению с решением на 1000 В. На примере решения Sungrow видно, что по сравнению с системой на 1000 В плотность энергии и удельная мощность аккумуляторной системы увеличились более чем на 35%. Электростанция той же мощности требует меньше оборудования, а стоимость аккумуляторной системы, PCS, BMS, кабелей и другого оборудования значительно снижается. Одновременно сокращаются затраты на инфраструктуру и землю. По оценкам, по сравнению с традиционным решением, первоначальные инвестиционные затраты на систему хранения энергии на 1500 В снижаются более чем на 10%. Однако, при повышении напряжения системы хранения энергии на 1500 В увеличивается количество последовательно соединенных батарей, что затрудняет контроль их стабильности, а также предъявляет более высокие требования к предотвращению и защите от дугового разряда постоянного тока и проектированию электрической изоляции.
(2) Распределенное решение: высокоэффективное и отработанное решение
Распределенное решение также называется многоканальным параллельным подключением на стороне переменного тока. По сравнению с централизованным техническим решением, распределенное решение преобразует параллельное подключение постоянного тока аккумуляторного блока в параллельное подключение переменного тока через распределенный стринговый инвертор, что позволяет избежать рисков параллельной циркуляции, потери мощности и искрения постоянного тока, вызванных параллельным подключением постоянного тока, и повышает безопасность эксплуатации. Одновременно с этим, точность управления изменяется от нескольких аккумуляторных блоков к одному, а эффективность управления повышается.
Электростанция Шаньдун Хуанэн Хуантай — первая в мире электростанция мощностью 100 мегаватт с децентрализованным управлением. На электростанции Хуантай используются батареи CATL и система управления цепями (PCS) от компании Sineng Electric. По оценкам, после ввода электростанции в эксплуатацию коэффициент использования емкости батарей может достичь около 92%, что на 7 процентных пунктов выше, чем в среднем по отрасли. Кроме того, благодаря децентрализованному управлению кластерами батарей, обеспечивается автоматическая калибровка уровня заряда батарей (SOC), что значительно снижает трудозатраты на эксплуатацию и техническое обслуживание. КПД в режиме тестирования в сети достигает 87,8%. Судя по текущим расценкам проекта, децентрализованная система не дороже централизованной.
(3) Интеллектуальное кластерное решение: один пакет, одна оптимизация, один кластер, одно управление
Предложенное компанией Huawei интеллектуальное решение для хранения энергии решает три основные проблемы централизованного решения: (1) Снижение емкости. В традиционном решении использование батарей имеет очевидный «эффект короткого замыкания». Батарейные модули соединены параллельно. При зарядке одна ячейка батареи полностью заряжена, и зарядка прекращается. При разрядке одна ячейка батареи разряжена, и разрядка прекращается. Общий срок службы системы зависит от срока службы самой короткой батареи. (2) Несоответствие. В процессе эксплуатации и применения системы хранения энергии, из-за различных специфических условий окружающей среды, возникает отклонение в несоответствии емкости батарей, что приводит к экспоненциальному снижению емкости системы. (3) Несоответствие емкости. Параллельное соединение батарей может привести к несоответствию емкости, и фактическая емкость батареи будет значительно ниже стандартной емкости.
Интеллектуальное решение для управления батареями решает три вышеупомянутые проблемы централизованного решения за счет интеллектуальной и модульной конструкции: (1) управление батареями. Оптимизатор энергии используется для управления на уровне модулей батарей, контроллер кластера батарей используется для достижения балансировки между кластерами, а распределенный кондиционер снижает разницу температур между кластерами. (2) Интеллект. Применение передовых ИКТ-технологий, таких как ИИ и облачная система управления батареями (BMS), для обнаружения внутренних коротких замыканий, использование ИИ для прогнозирования состояния батарей и применение стратегий интеллектуального управления температурой с многомодельной связью для обеспечения оптимального состояния зарядки и разрядки. (3) Модульность. Модульная конструкция системы батарей позволяет разделять неисправные модули без влияния на нормальную работу других модулей в кластере. Модульная конструкция PCS позволяет продолжать работу при отказе одного PCS, а при отказе нескольких PCS система продолжает функционировать.
(4) Высоковольтная каскадная схема: высокоэффективная схема без параллельной структуры
Высоковольтное каскадное решение для хранения энергии разработано с использованием силовой электроники для достижения напряжения, подключенного к сети, в диапазоне 6-35 кВ без трансформатора. В качестве примера рассмотрим решение Xinfengfeng на 35 кВ: единая система хранения энергии имеет мощность 12,5 МВт/25 МВт·ч. Электрическая структура системы аналогична высоковольтной однофазной энергосистеме (SVG) и состоит из трех фаз A, B и C. Каждая фаза содержит 42 силовых блока H-моста, поддерживающих 42 аккумуляторных блока. В общей сложности 126 силовых блоков H-моста в трех фазах образуют 126 аккумуляторных блоков, хранящих в общей сложности 25,288 МВт·ч электроэнергии. Каждый аккумуляторный блок состоит из 224 ячеек, соединенных последовательно.
Преимущества высоковольтной каскадной схемы заключаются в следующем: (1) Безопасность. В системе отсутствуют параллельно соединенные элементы, что исключает повреждение некоторых батарей, узкий диапазон замены, малый диапазон влияния и низкие затраты на техническое обслуживание. (2) Стабильность. Батарейные блоки не соединены напрямую, а соединены после преобразования переменного/постоянного тока, поэтому балансировка уровня заряда всех батарей может контролироваться через преобразователь переменного/постоянного тока. Внутри батарейного блока находится только один кластер батарей, отсутствует параллельное соединение кластеров, и не возникает проблем с распределением тока. Балансировка между элементами осуществляется через систему управления батареей (BMS) внутри кластера батарей. Таким образом, это решение позволяет максимально эффективно использовать емкость батарей, и при одинаковой мощности, подключенной к сети переменного тока, можно установить меньше батарей, что снижает первоначальные инвестиции. (3) Высокая эффективность. Поскольку в системе отсутствуют параллельно работающие элементы/кластеры батарей, отсутствует эффект короткого замыкания, и срок службы системы приблизительно равен сроку службы одного элемента, что позволяет максимально повысить экономичность работы устройства хранения энергии. Система не требует повышающего трансформатора, а фактическая эффективность цикла работы системы на объекте достигает 90%.
(5) Распределенное решение: изоляция постоянного тока + централизованный инвертор
Распределенная схема также называется многоканальным параллельным подключением на стороне постоянного тока. В отличие от традиционной централизованной схемы, на выходе аккумуляторного блока добавляется преобразователь постоянного тока для его изоляции, который подключается к централизованной системе постоянного тока PCS. 2–4 системы PCS подключаются параллельно к локальному трансформатору и, после повышения напряжения от трансформатора, подключаются к сети. Увеличение изоляции постоянного тока в системе позволяет избежать искрения, циркуляционных токов и потерь мощности, вызванных параллельным подключением постоянного тока, что значительно повышает безопасность системы и, следовательно, её эффективность. Однако, поскольку система проходит два этапа инверсии, это негативно сказывается на её эффективности.
Дата публикации: 22 сентября 2023 г.