Cuatro consideraciones de diseño al agregar equipos de baterías de almacenamiento de energía a una red fotovoltaica
Si bien el número de instalaciones fotovoltaicas (PV) sigue creciendo, el desequilibrio entre la oferta y la demanda de la red solar se ha convertido en una limitación importante. Hay mucha energía solar disponible durante el día, pero la demanda no es mucha. Eso significa que los clientes pagarán un precio más alto por vatio por la mañana y por la noche durante las horas pico de uso.
Los sistemas de almacenamiento de energía (ESS) para dispositivos solares en servicios residenciales, comerciales y públicos utilizan inversores para almacenar electricidad o la red durante el día cuando la demanda es más baja y para almacenar cuando la demanda es enorme, liberando la energía que se ha generado. Agregar ESS a un sistema solar conectado a la red permite a los usuarios ahorrar dinero en el uso de una tecnología llamada "recorte de picos".
Conversión de energía bidireccional
Los equipos fotovoltaicos tradicionales consisten en etapas de potencia CC/CA y CC/CC unidireccionales, pero el método de conversión unidireccional es un obstáculo importante para la incorporación de ESS. Se requieren más componentes, módulos y subsistemas, todos los cuales aumentan significativamente el costo de agregar un ESS a una instalación solar existente.
Para agregar una batería a un dispositivo fotovoltaico existente, las dos rutas de carga y descarga de la batería deben combinarse en una sola ruta que consiste en la corrección del factor de potencia (PFC) y los niveles de potencia del inversor. . Pero, ¿cómo se construye un convertidor de potencia bidireccional en lugar de dos convertidores de potencia unidireccionales?
Los inversores híbridos pueden mejorar efectivamente la eficiencia de la etapa de conversión, pero esta mejora de la eficiencia es más importante para las microrredes equipadas con ESS que realizan múltiples conversiones de energía. El sistema convertidor de potencia gestiona la conversión CC/CC para cargar y descargar la batería. También gestiona la conversión CC/CA y CA/CC, que convierte la corriente continua almacenada en las baterías en corriente alterna tanto para la entrada como para la salida de la red.
Batería de alto voltaje
En un sistema de microrred con batería de almacenamiento, la función principal de la batería es almacenar energía fotovoltaica y suministrar energía a la red bajo demanda. Las baterías de iones de litio tienen una capacidad de almacenamiento significativamente mayor por unidad que las baterías de plomo-ácido.
Si bien las baterías de 400 V están ganando popularidad en los vehículos eléctricos (EV), los dispositivos de red solar también aumentan el voltaje de la batería de 48 V. Pero, ¿cómo gestiona la conversión de energía de una batería de 400 V?
Además de las microcomputadoras con control del sistema y capacidades de comunicación que incorporan ESS en sistemas más grandes, los interruptores de energía eficientes y de baja pérdida también mejoran la seguridad y confiabilidad de los sistemas de almacenamiento de energía. Los interruptores de alimentación compactos y las microcomputadoras en tiempo real basadas en materiales de carburo de silicio (SiC) y nitruro de galio (GaN) permiten la modificación de convertidores de dos vías para acomodar una variedad de unidades de almacenamiento de energía de CC.
Diseño de convertidor CC/CC de puente activo doble
Los semiconductores de brecha de banda ancha, como SiC y GaN, desempeñan un papel importante en la solución de sistemas de conversión de energía que pueden manejar el aumento del rango de voltaje de la batería a medida que los convertidores aumentan la densidad de energía y reducen las pérdidas de conmutación. . El sistema de conversión de energía también permite que el paquete de baterías gestione mejor las fluctuaciones de energía en el sistema de generación distribuida, lo que da como resultado una operación de red inteligente y resistente a voltajes más altos y amplios.
Eventualmente, los dispositivos solares podrían imitar los paquetes de baterías que se usan en los autos eléctricos. La idea de reciclar los paquetes de baterías que se utilizan actualmente en los vehículos eléctricos como ESS conectados a la red se está volviendo común.
Materiales de banda prohibida ancha necesarios para la eficiencia y la convección natural
Para construir un sistema de almacenamiento inteligente montado en la pared, es necesario diseñar un inversor que optimice la disipación de calor utilizando un enfriamiento por convección natural mínimo. Las arquitecturas de energía distribuida permiten que el calor se distribuya de forma centralizada en todo el sistema. Esta arquitectura garantiza que los inversores de almacenamiento de energía requeridos puedan manejar altos niveles de corriente a diferentes voltajes y responder de manera confiable a transitorios de carga que cambian rápidamente.
Dichos sistemas requieren controladores de puerta que admitan conmutación de alta velocidad y brinden protección a frecuencias de conmutación de 100 kHz a 400 kHz. Si la velocidad de conmutación no es lo suficientemente rápida, encontrará que la fase de conversión de energía es significativamente ineficiente.
Aquí es donde entran en juego los materiales de banda ancha con conmutación rápida y altas densidades de potencia, como SiC y GaN. Estos dispositivos semiconductores facilitan el diseño de sistemas que no requieren refrigeración por ventilador. El dispositivo LMG3425R030 GaN con controlador incorporado y funciones de protección presenta un perfil compacto, alta densidad de potencia y conmutación rápida.
El controlador de puerta convierte la señal PWM digital del controlador en la corriente requerida por el transistor de efecto de campo (FET) de SiC o GaN. El controlador basado en PWM permite un muestreo preciso de voltaje y corriente en múltiples etapas de conversión de energía.
Detección de corriente y voltaje
El diseño de la fuente de alimentación conmutada de alta frecuencia se enfrenta al desafío de la detección precisa de corriente y voltaje. Las mediciones de corriente con una derivación no solo mejoran la precisión, sino que también aceleran los tiempos de reacción, lo que le permite reaccionar rápidamente ante cualquier cambio en la red, de modo que pueda cerrar las conexiones del sistema si la red sufre un cortocircuito o se desconecta. Aumentó.
Las mediciones de corriente son esenciales para los diseños centrados en inversores, ya que el algoritmo de control requiere mediciones electrofluométricas para el control. Algunas soluciones de diseño están disponibles para mediciones de corriente aisladas utilizando amplificadores/moduladores y fuentes de alimentación aisladas de derivaciones externas.
Los convertidores de potencia necesitan medir la corriente en la red para ver si la corriente está en fase con el voltaje. Al medir la corriente y el voltaje, además de controlar la corriente de carga de la batería, también se controlan el funcionamiento del inversor y la función de protección contra sobrecarga.
Conclusión
Se espera que los inversores híbridos, que realizan una conversión de energía bidireccional entre CA/CC y CC/CC, reemplacen a los inversores solares tradicionales en los próximos años. Los diseñadores de inversores solares podrán lograr la conversión de energía con un amplio rango de voltaje y potencia de salida mediante el uso de inversores híbridos.
El aumento del voltaje de la batería y la ampliación del rango de voltaje son cuestiones importantes para los inversores solares compatibles con el almacenamiento de energía. Con componentes esenciales como control por microcomputadora y semiconductores de banda prohibida ancha con controladores de compuerta integrados y protección, estos voltajes de celda más altos y más amplios pueden soportarse además de la necesidad de alta eficiencia y convección natural.
