Электрохимическая система накопления энергии состоит из двух частей: стороны постоянного тока и стороны переменного тока. Сторона постоянного тока представляет собой склад аккумуляторных батарей, включающий аккумуляторные батареи, системы контроля температуры, противопожарную защиту, шкафы слияния, контейнеры и другое оборудование, а сторона переменного тока представляет собой склад электропитания, включающий преобразователи энергии, трансформаторы, контейнеры и т.д. Взаимодействие электрической энергии между системой накопления энергии и сетью осуществляется посредством преобразования переменного тока в постоянный с помощью преобразователя PCS.
1. Классификация систем накопления энергии
По электрической структуре крупномасштабные системы накопления энергии можно разделить на:
(1) Централизованная: низковольтная, мощная централизованная система накопления энергии с повышением напряжения, подключенная к сети. Несколько кластеров аккумуляторов соединяются параллельно и затем подключаются к системе PCS. PCS обеспечивает высокую мощность и эффективность. В настоящее время продвигается решение на 1500 В.
(2) Распределенная: низковольтная и маломощная распределенная система накопления энергии, подключенная к сети, каждая группа батарей подключена к блоку PCS, а PCS использует маломощную распределенную схему.
(3) Интеллектуальный строковый тип: на основе архитектуры распределенной системы хранения энергии используются инновационные технологии, такие как оптимизация энергопотребления на уровне модулей аккумуляторных батарей, управление энергопотреблением отдельных кластеров аккумуляторных батарей, цифровое интеллектуальное управление и полная модульная конструкция, для достижения более эффективного применения систем хранения энергии.
(4) Высоковольтная каскадная система накопления энергии высокой мощности: инвертор с одним кластером аккумуляторов, подключаемый напрямую к электросети напряжением выше 6/10/35 кВ без трансформатора. Мощность одного блока может достигать 5 МВт/10 МВт·ч.
(5) Распределенный тип: несколько ветвей на стороне постоянного тока соединены параллельно, преобразователь постоянного тока в постоянный на выходе кластера батарей добавляется для его изоляции, а преобразователи постоянного тока в постоянный подключаются к централизованной стороне постоянного тока PCS после сбора.
2. Итерация пути развития технологии накопления энергии вращается вокруг вопросов безопасности, стоимости и эффективности.
Безопасность, стоимость и эффективность — ключевые вопросы, которые необходимо решить при разработке систем хранения энергии. Суть развития технологий хранения энергии заключается в повышении безопасности, снижении стоимости и повышении эффективности.
(1) Безопасность
Безопасность электростанций с накоплением энергии является наиболее актуальной проблемой в отрасли. Потенциальные угрозы безопасности электрохимических электростанций с накоплением энергии включают пожары, вызванные электричеством, пожары, вызванные аккумуляторными батареями, взрывы водорода при пожаре, сбои в работе системы и т. д. Причину нарушения безопасности электростанций с накоплением энергии обычно можно связать с тепловым разгоном аккумуляторной батареи. К причинам теплового разгона относятся механические, электрические и тепловые воздействия. Во избежание проблем безопасности необходимо строго контролировать состояние аккумуляторной батареи, чтобы не допустить возникновения теплового разгона.
(2) Высокая эффективность
Стабильность работы ячеек — ключевой фактор, влияющий на эффективность системы. Стабильность работы аккумулятора зависит от качества аккумулятора, технологии накопления энергии и условий эксплуатации. По мере увеличения количества циклов работы аккумулятора различия между аккумуляторами постепенно проявляются. Различия в фактических рабочих условиях при совместной работе приведут к усугублению различий между несколькими аккумуляторами, и проблема стабильности станет очевидной, что создаст трудности для управления системой управления зданием (BMS) и даже станет причиной серьёзных проблем. Риск безопасности. При проектировании и эксплуатации электростанции накопления энергии необходимо максимально улучшить стабильность работы аккумулятора для повышения эффективности системы.
(3) Низкая стоимость
Стоимость системы накопления энергии зависит от первоначальных инвестиций и срока службы. Старение и ухудшение состояния материалов аккумулятора, система заряда и разряда, рабочая температура аккумулятора и стабильность мономеров – всё это влияет на срок службы аккумулятора. При разнице температур в контейнере более 10 градусов срок службы аккумулятора сокращается более чем на 15%. Разница в повышении температуры между модулями также может привести к сокращению общего срока службы системы. Система накопления энергии должна увеличивать срок службы системы за счёт оптимизации процесса зарядки и разрядки, уменьшения разницы температур между системами и повышения стабильности характеристик аккумулятора.
3. Путь интеграции технологий накопления энергии: схемы топологии постепенно итерируются
(1) Централизованное решение: 1500 В вместо 1000 В стало тенденцией
С развитием централизованных ветровых электростанций и систем накопления энергии большей емкости, высокое напряжение постоянного тока стало основным техническим решением для снижения затрат и повышения эффективности, а система накопления энергии с напряжением на стороне постоянного тока, увеличенным до 1500 В, постепенно стала тенденцией. По сравнению с традиционной системой 1000 В, система 1500 В увеличивает выдерживаемое напряжение кабелей, аппаратных модулей BMS, PCS и других компонентов с не более 1000 В до не более 1500 В. Техническое решение системы накопления энергии 1500 В исходит из фотоэлектрической системы. Согласно статистике CPIA, в 2021 году доля рынка отечественной фотоэлектрической системы с уровнем напряжения постоянного тока 1500 В составила около 49,4%, и ожидается, что в будущем она постепенно увеличится почти до 80%. Система накопления энергии 1500 В поможет улучшить совместимость с фотоэлектрической системой.
Производительность решения системы накопления энергии 1500 В также улучшена по сравнению с решением 1000 В. Если взять решение Sungrow в качестве примера, по сравнению с системой 1000 В плотность энергии и плотность мощности системы аккумуляторных батарей увеличились более чем на 35%. Электростанция той же мощности требует меньше оборудования, а стоимость системы аккумуляторных батарей, PCS, BMS, кабелей и другого оборудования значительно снижается. Одновременно снижаются и затраты на инфраструктуру и земельные инвестиции. По оценкам, по сравнению с традиционным решением первоначальные инвестиционные затраты на систему накопления энергии 1500 В снижаются более чем на 10%. Но в то же время после повышения напряжения системы накопления энергии 1500 В увеличивается количество последовательно соединенных батарей, что затрудняет контроль ее согласованности, а требования к предотвращению и защите от риска дуги постоянного тока и проектированию электроизоляции также повышаются.
(2) Распределенное решение: высокоэффективное и зрелое решение
Распределенное решение также называется многоветвевым параллельным соединением на стороне переменного тока. По сравнению с централизованным техническим решением, распределенное решение преобразует параллельное соединение стороны постоянного тока кластера аккумуляторов в параллельное соединение стороны переменного тока через распределенный строчный инвертор, что позволяет избежать рисков параллельной циркуляции, потери мощности и дугообразования постоянного тока, вызванных параллельным соединением стороны постоянного тока, и повышает эксплуатационную безопасность. При этом точность управления изменяется с нескольких кластеров аккумуляторов на один, а эффективность управления повышается.
Энергоаккумулирующая электростанция Shandong Huaneng Huangtai — первая в мире электростанция накопления энергии мощностью 100 МВт с децентрализованным управлением. Энергоаккумулирующая электростанция Huangtai использует аккумуляторные батареи CATL + систему PCS от Sineng Electric. По оценкам, после ввода электростанции в эксплуатацию коэффициент использования емкости аккумуляторных батарей всей станции может достичь около 92%, что на 7 процентных пунктов выше текущего среднего показателя по отрасли. Кроме того, благодаря децентрализованному управлению кластерами аккумуляторных батарей может быть реализована автоматическая калибровка состояния заряда аккумуляторных батарей (SOC), что значительно снижает трудозатраты на эксплуатацию и техническое обслуживание. Эффективность испытаний с подключением к сети достигает 87,8%. Судя по текущим проектным расценкам, децентрализованная система не дороже централизованной.
(3) Интеллектуальное кластерное решение: один пакет, одна оптимизация, один кластер, одно управление
Решение «умной строки», предложенное Huawei, решает три основные проблемы централизованного решения: (1) Уменьшение емкости. В традиционном решении использование аккумуляторов имеет очевидный «эффект короткой платы». Модули аккумуляторов подключаются параллельно. При зарядке одна ячейка аккумулятора полностью заряжена, и зарядка останавливается. При разрядке одна ячейка аккумулятора разряжена, и разрядка останавливается. Общий срок службы системы зависит от срока службы. самого короткого аккумулятора. (2) Постоянство. При работе и применении системы накопления энергии из-за различных специфических сред наблюдается отклонение в постоянстве аккумулятора, что приводит к экспоненциальному снижению емкости системы. (3) Несоответствие емкости. Параллельное соединение аккумуляторов, вероятно, приведет к несоответствию емкости, и фактическая емкость аккумулятора будет намного ниже стандартной емкости.
Интеллектуальное струнное решение решает три вышеупомянутые проблемы централизованного решения за счет струнной, интеллектуальной и модульной конструкции: (1) струна. Оптимизатор энергии используется для реализации управления на уровне модуля батареи, контроллер кластера батарей используется для достижения баланса между кластерами, а распределенный кондиционер снижает разницу температур между кластерами. (2) Интеллект. Применяйте передовые ИКТ-технологии, такие как ИИ и облачная BMS, к внутренним сценариям обнаружения короткого замыкания, применяйте ИИ для прогнозирования состояния батареи и применяйте интеллектуальные стратегии управления температурой с несколькими моделями связи для обеспечения оптимального состояния зарядки и разрядки. (3) Модульность. Модульная конструкция аккумуляторной системы позволяет отдельно отделять неисправный модуль, не влияя на нормальную работу других модулей в кластере. Модульная конструкция PCS: при выходе из строя одного PCS другие PCS могут продолжать работать, а при выходе из строя нескольких PCS система все равно может продолжать работать.
(4) Схема каскадирования высокого напряжения: высокоэффективная схема без параллельной структуры
Высоковольтное каскадное решение для накопления энергии разработано с использованием силовой электроники для достижения напряжения, подключенного к сети, 6–35 кВ без трансформатора. Если взять в качестве примера решение Xinfengfeng на 35 кВ, то единая система накопления энергии представляет собой систему мощностью 12,5 МВт/25 МВт⋅ч. Электрическая структура системы аналогична высоковольтной системе самонастройки (SVG) и состоит из трёх фаз: A, B и C. Каждая фаза содержит 42 силовых блока H-моста, поддерживающих 42 кластера аккумуляторных батарей. В общей сложности 126 силовых блоков H-моста на трёх фазах имеют 126 кластеров аккумуляторных батарей, накапливая в общей сложности 25,288 МВт⋅ч электроэнергии. Каждый кластер аккумуляторных батарей состоит из 224 последовательно соединённых ячеек.
Преимущества высоковольтной каскадной схемы отражены в: (1) Безопасности. В системе нет параллельно соединенных ячеек, некоторые батареи повреждаются, диапазон замены узкий, диапазон влияния небольшой, а расходы на обслуживание низкие. (2) Согласованности. Аккумуляторные блоки не соединены напрямую, а подключены после AC/DC, поэтому все аккумуляторные блоки могут управляться балансом SOC через AC/DC. Внутри аккумуляторного блока находится только один кластер батарей, параллельное соединение кластеров батарей отсутствует, и не будет проблем с распределением тока. Управление балансом между ячейками реализуется через BMS внутри кластера батарей. Таким образом, это решение может максимально использовать емкость батареи, и в случае той же мощности, подключенной к сети на стороне переменного тока, можно установить меньше батарей, что снижает первоначальные инвестиции. (3) Высокая эффективность. Поскольку в системе отсутствуют параллельно работающие ячейки/аккумуляторные кластеры, эффект короткой платы отсутствует, а срок службы системы приблизительно равен сроку службы одной ячейки, что позволяет максимально повысить экономичность работы накопителя энергии. Система не требует повышающего трансформатора, а фактический КПД системы на объекте достигает 90%.
(5) Распределенное решение: изоляция постоянного тока + централизованный инвертор
Распределенная схема также называется многоветвевым параллельным соединением на стороне постоянного тока. На основе традиционной централизованной схемы DC/DC-преобразователь добавляется на выходе кластера батарей для его изоляции, а DC/DC-преобразователь подключается к централизованной PCS DC. На стороне DC от 2 до 4 PCS подключаются параллельно к локальному трансформатору и подключаются к сети после повышения трансформатором. За счет увеличения DC/DC-изоляции в системе исключаются дугообразование постоянного тока, циркулирующий ток и потеря емкости, вызванные параллельным соединением постоянного тока, что значительно повышает безопасность системы и, следовательно, ее эффективность. Однако, поскольку система должна проходить через две стадии инвертирования, это отрицательно влияет на эффективность системы.
Время публикации: 22 сентября 2023 г.