El sistema de almacenamiento electroquímico de energía consta de dos partes: la de corriente continua (CC) y la de corriente alterna (CA). La parte de CC es el almacén de baterías, que incluye baterías, control de temperatura, protección contra incendios, armarios de distribución, contenedores y otros equipos. La parte de CA es el almacén eléctrico, que incluye convertidores de almacenamiento de energía, transformadores, contenedores, etc. La interacción de la energía eléctrica entre el sistema de almacenamiento y la red se realiza mediante la conversión CA-CC del convertidor PCS.
1. Clasificación de los sistemas de almacenamiento de energía
Según su estructura eléctrica, los sistemas de almacenamiento de energía a gran escala se pueden dividir en:
(1) Centralizado: Sistema de almacenamiento de energía centralizado de baja tensión y alta potencia conectado a la red eléctrica. Varios grupos de baterías se conectan en paralelo y, posteriormente, al sistema de control de potencia (PCS). El PCS busca alta potencia y alta eficiencia. Actualmente, se está impulsando la solución de 1500 V.
(2) Distribuido: sistema de almacenamiento de energía conectado a la red de refuerzo distribuido de bajo voltaje y baja potencia, cada grupo de baterías está conectado a una unidad PCS, y la PCS adopta una disposición distribuida de baja potencia.
(3) Tipo de cadena inteligente: Basado en la arquitectura del sistema de almacenamiento de energía distribuida, se adoptan tecnologías innovadoras como la optimización de energía a nivel de módulo de batería, el control de energía de un solo grupo de baterías, la gestión inteligente digital y el diseño modular completo para lograr una aplicación más eficiente de los sistemas de almacenamiento de energía.
(4) Sistema de almacenamiento de energía de alta potencia en cascada de alta tensión: inversor de batería de un solo grupo, conectado directamente a la red eléctrica con un nivel de tensión superior a 6/10/35 kV sin transformador. La capacidad de una sola unidad puede alcanzar los 5 MW/10 MWh.
(5) Tipo distribuido: Varias ramas en el lado de CC están conectadas en paralelo, se agrega un convertidor CC/CC en la salida del grupo de baterías para aislar el grupo de baterías y los convertidores CC/CC se conectan al lado de CC del PCS centralizado después de la recolección.
2. La iteración de la ruta de la tecnología de almacenamiento de energía gira en torno a la seguridad, el costo y la eficiencia.
La seguridad, el coste y la eficiencia son los aspectos clave que deben abordarse en el desarrollo del almacenamiento de energía. El objetivo principal de la evolución de la tecnología de almacenamiento de energía es mejorar la seguridad, reducir los costes y aumentar la eficiencia.
(1) Seguridad
La seguridad de las centrales de almacenamiento de energía es la principal preocupación del sector. Entre los riesgos potenciales de seguridad de las centrales electroquímicas de almacenamiento de energía se incluyen incendios provocados por la electricidad, incendios causados por las baterías, explosiones de hidrógeno en caso de incendio, anomalías del sistema, etc. La causa de un problema de seguridad en una central de almacenamiento de energía suele atribuirse a la fuga térmica de la batería. Las causas de la fuga térmica incluyen daños mecánicos, daños eléctricos y sobrecalentamiento. Para evitar problemas de seguridad, es necesario monitorizar estrictamente el estado de la batería para prevenir la fuga térmica.
(2) Alta eficiencia
La consistencia de las celdas es un factor clave que afecta la eficiencia del sistema. La consistencia de la batería depende de su calidad, la tecnología de almacenamiento de energía empleada y su entorno operativo. Con el aumento de los ciclos de carga y descarga, las diferencias entre las baterías se hacen cada vez más evidentes. Las variaciones en el entorno operativo durante la operación simultánea agravan estas diferencias, haciendo que el problema de consistencia sea significativo, lo que supone un reto para la gestión del sistema de gestión de baterías (BMS) e incluso un riesgo para la seguridad. En el diseño y la operación de la central eléctrica de almacenamiento de energía, es fundamental optimizar la consistencia de las baterías para mejorar la eficiencia del sistema.
(3) Bajo costo
El costo de un sistema de almacenamiento de energía está relacionado con la inversión inicial y su vida útil. El envejecimiento y la degradación de los materiales de la batería, el sistema de carga y descarga, la temperatura de funcionamiento y la homogeneidad de los monómeros afectan su vida útil. Si la diferencia de temperatura dentro del contenedor supera los 10 grados, la vida útil de la batería se reduce en más del 15 %. Las diferencias de temperatura entre los módulos también pueden acortar la vida útil general del sistema. Para mejorar la vida útil del sistema de almacenamiento de energía, se debe optimizar el método de carga y descarga, reducir la diferencia de temperatura entre los sistemas y mejorar la homogeneidad de la batería.
3. Ruta tecnológica de integración del almacenamiento de energía: los esquemas topológicos se iteran gradualmente.
(1) Solución centralizada: El uso de 1500 V en lugar de 1000 V se ha convertido en una tendencia.
Con el desarrollo de centrales eólicas centralizadas y el almacenamiento de energía a mayor capacidad, la alta tensión CC se ha convertido en la principal solución técnica para reducir costes y aumentar la eficiencia, y los sistemas de almacenamiento de energía con una tensión CC de 1500 V se han consolidado como una tendencia. En comparación con los sistemas tradicionales de 1000 V, los sistemas de 1500 V incrementan la tensión soportada por cables, módulos BMS, PCS y otros componentes, elevándola de 1000 V a 1500 V. Esta solución técnica de 1500 V para sistemas de almacenamiento de energía proviene de los sistemas fotovoltaicos. Según las estadísticas de la CPIA, en 2021, la cuota de mercado de los sistemas fotovoltaicos nacionales con una tensión CC de 1500 V era de aproximadamente el 49,4 %, y se prevé que aumente gradualmente hasta cerca del 80 % en el futuro. Los sistemas de almacenamiento de energía de 1500 V contribuirán a mejorar la compatibilidad con los sistemas fotovoltaicos.
El rendimiento de la solución de almacenamiento de energía de 1500 V también mejora con respecto a la de 1000 V. Tomando como ejemplo la solución de Sungrow, en comparación con el sistema de 1000 V, la densidad de energía y la densidad de potencia del sistema de baterías aumentan en más del 35 %. Una central eléctrica de la misma capacidad requiere menos equipamiento, y el coste del sistema de baterías, el PCS, el BMS, los cables y demás equipos se reduce considerablemente. Asimismo, se reducen los costes de inversión en infraestructura y terrenos. Según las estimaciones, en comparación con la solución tradicional, el coste de inversión inicial del sistema de almacenamiento de energía de 1500 V se reduce en más del 10 %. Sin embargo, al aumentar la tensión del sistema de almacenamiento de energía de 1500 V, aumenta el número de baterías conectadas en serie, lo que dificulta el control de la consistencia y eleva los requisitos de prevención y protección contra el riesgo de arco eléctrico de CC, así como el diseño del aislamiento eléctrico.
(2) Solución distribuida: alta eficiencia y solución madura
La solución distribuida, también conocida como conexión en paralelo multirrama en el lado de CA, en comparación con la solución técnica centralizada, convierte la conexión en paralelo del lado de CC del banco de baterías en una conexión en paralelo del lado de CA mediante un inversor de cadena distribuido. Esto evita los riesgos de circulación en paralelo, pérdida de capacidad y arco eléctrico en CC que se producen en la conexión en paralelo del lado de CC, mejorando así la seguridad operativa. Asimismo, la precisión del control se traslada de múltiples bancos de baterías a un único banco, lo que incrementa la eficiencia del control.
La central de almacenamiento de energía Huangtai de Shandong Huaneng es la primera central del mundo con una capacidad de 100 megavatios y control descentralizado. Esta central utiliza baterías CATL y el sistema PCS de Sineng Electric. Se estima que, una vez en funcionamiento, la tasa de utilización de la capacidad de las baterías alcanzará el 92%, siete puntos porcentuales por encima del promedio actual del sector. Además, gracias al control descentralizado de los grupos de baterías, se logra la calibración automática del estado de carga (SOC), lo que reduce significativamente la carga de trabajo de operación y mantenimiento. La eficiencia de las pruebas de conexión a la red alcanza el 87,8%. Según las cotizaciones actuales del proyecto, el sistema descentralizado no resulta más costoso que el centralizado.
(3) Solución de clúster inteligente: un paquete, una optimización, un clúster, una gestión
La solución de cadena inteligente propuesta por Huawei resuelve tres problemas principales de la solución centralizada: (1) Atenuación de la capacidad. En la solución tradicional, el uso de baterías presenta un marcado efecto de cortocircuito. Los módulos de baterías se conectan en paralelo. Durante la carga, si una celda se llena por completo, la carga se detiene. Durante la descarga, si una celda se descarga por completo, la descarga se detiene. La vida útil total del sistema depende de la batería con menor vida útil. (2) Consistencia. Durante el funcionamiento y la aplicación del sistema de almacenamiento de energía, debido a las diferentes condiciones ambientales, se produce una desviación en la consistencia de las baterías, lo que conlleva una disminución exponencial de la capacidad del sistema. (3) Desajuste de capacidad. La conexión en paralelo de baterías puede provocar un desajuste de capacidad, y la capacidad real de la batería suele ser mucho menor que la capacidad nominal.
La solución de cadena inteligente resuelve los tres problemas de la solución centralizada mediante un diseño modular, inteligente y basado en la cadena: (1) Cadena. Se utiliza un optimizador de energía para la gestión a nivel de módulo de batería, un controlador de clúster de baterías para lograr el equilibrio entre clústeres y un sistema de aire acondicionado distribuido para reducir la diferencia de temperatura entre ellos. (2) Inteligencia. Se aplican tecnologías TIC avanzadas, como IA y BMS en la nube, para la detección de cortocircuitos internos, IA para la predicción del estado de la batería y estrategias inteligentes de control de temperatura con enlace multimodal para garantizar un estado óptimo de carga y descarga. (3) Modularización. El diseño modular del sistema de baterías permite aislar el módulo defectuoso sin afectar el funcionamiento normal de los demás módulos del clúster. El diseño modular del PCS permite que, si falla un PCS, los demás sigan funcionando, y que el sistema continúe operativo incluso si fallan varios.
(4) Esquema de cascada de alto voltaje: esquema de alta eficiencia sin estructura en paralelo
La solución de almacenamiento de energía en cascada de alto voltaje está diseñada mediante electrónica de potencia para lograr una tensión de conexión a la red de 6 a 35 kV sin necesidad de transformador. Tomando como ejemplo la solución de 35 kV de Xinfengfeng, el sistema de almacenamiento de energía individual tiene una capacidad de 12,5 MW/25 MWh. La estructura eléctrica del sistema es similar a la de un sistema SVG de alto voltaje, y consta de tres fases: A, B y C. Cada fase contiene 42 unidades de potencia de puente H que alimentan 42 grupos de baterías. En total, 126 unidades de potencia de puente H en las tres fases albergan 126 grupos de baterías, almacenando una capacidad total de 25,288 MWh de electricidad. Cada grupo de baterías consta de 224 celdas conectadas en serie.
Las ventajas del esquema de conexión en cascada de alto voltaje se reflejan en: (1) Seguridad. Al no haber celdas conectadas en paralelo, el sistema reduce el riesgo de daños en las baterías, limita el rango de reemplazo, minimiza el impacto y disminuye los costos de mantenimiento. (2) Consistencia. Los paquetes de baterías no están conectados directamente, sino a través de la conversión CA/CC, lo que permite controlar el balance de estado de carga (SOC) mediante CA/CC. Cada paquete contiene un único clúster de baterías, sin conexiones en paralelo, lo que elimina problemas de reparto de corriente. El control del balance entre las celdas se realiza mediante el BMS integrado en el clúster. Por lo tanto, esta solución maximiza el aprovechamiento de la capacidad de la batería y, con la misma potencia de conexión a la red en el lado de CA, permite instalar menos baterías, reduciendo así la inversión inicial. (3) Alta eficiencia. Al no existir celdas/clústeres de baterías en paralelo, se elimina el efecto de cortocircuito y la vida útil del sistema es prácticamente igual a la de una sola celda, lo que maximiza la rentabilidad del dispositivo de almacenamiento de energía. El sistema no necesita un transformador elevador, y la eficiencia real del ciclo del sistema en el sitio alcanza el 90%.
(5) Solución distribuida: aislamiento de CC + inversor centralizado
El esquema distribuido también se denomina conexión en paralelo multirrama en el lado de CC. Partiendo del esquema centralizado tradicional, se añade un convertidor CC/CC a la salida del banco de baterías para aislarlo. Este convertidor se conecta al lado de CC del PCS centralizado. De dos a cuatro PCS se conectan en paralelo a un transformador in situ y, tras ser elevadas por este, se conectan a la red eléctrica. Al aumentar el aislamiento CC/CC del sistema, se evitan el arco eléctrico, la corriente circulante y la pérdida de capacidad causadas por la conexión en paralelo de CC, lo que mejora considerablemente la seguridad y, por consiguiente, la eficiencia del sistema. Sin embargo, dado que el sistema requiere dos etapas de inversión, esto repercute negativamente en su eficiencia.
Fecha de publicación: 22 de septiembre de 2023