El sistema de almacenamiento de energía electroquímica consta de dos partes: el lado de CC y el lado de CA. El lado de CC es el almacén de baterías, que incluye baterías, control de temperatura, protección contra incendios, armarios de confluencia, contenedores y otros equipos, y el lado de CA es el almacén eléctrico, que incluye convertidores de almacenamiento de energía, transformadores, contenedores, etc. La interacción de energía eléctrica entre el sistema de almacenamiento de energía y la red se realiza mediante la conversión CA-CC del convertidor PCS.
1. Clasificación de los sistemas de almacenamiento de energía
Según la estructura eléctrica, los sistemas de almacenamiento de energía a gran escala se pueden dividir en:
(1) Centralizado: Sistema de almacenamiento de energía centralizado, de bajo voltaje y alta potencia, conectado a la red. Múltiples grupos de baterías se conectan en paralelo y luego se conectan al PCS. El PCS busca alta potencia y alta eficiencia. Actualmente, se está promoviendo la solución de 1500 V.
(2) Distribuido: sistema de almacenamiento de energía conectado a la red con impulso distribuido de bajo voltaje y baja potencia, cada grupo de baterías está conectado a una unidad PCS, y el PCS adopta una disposición distribuida de bajo consumo.
(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 grupo único de batería, 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 alto voltaje: 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 5 MW/10 MWh.
(5) Tipo distribuido: varias ramas del lado de CC se conectan en paralelo, se agrega un convertidor de CC/CC en la salida del grupo de baterías para aislar el grupo de baterías y los convertidores de CC/CC se conectan al lado de CC del PCS centralizado después de la recolección.
2. La iteración de la ruta tecnológica de almacenamiento de energía gira en torno a la seguridad, el coste y la eficiencia.
La seguridad, el coste y la eficiencia son aspectos clave que deben abordarse en el desarrollo del almacenamiento de energía. El objetivo principal de la iteración de la tecnología de almacenamiento de energía es mejorar la seguridad, reducir los costes y mejorar la eficiencia.
(1) Seguridad
La seguridad de las centrales eléctricas de almacenamiento de energía es el tema de mayor preocupación en la industria. Los posibles riesgos de seguridad de las centrales eléctricas de almacenamiento de energía electroquímica incluyen incendios causados por electricidad, incendios causados por baterías, explosiones de hidrógeno en caso de incendio, anomalías del sistema, etc. La causa del problema de seguridad en las centrales eléctricas de almacenamiento de energía generalmente se puede atribuir a la fuga térmica de la batería. Las causas de la fuga térmica incluyen abuso mecánico, abuso eléctrico y abuso térmico. Para evitar problemas de seguridad, es necesario supervisar estrictamente el estado de la batería para evitar la aparición de fugas térmicas.
(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 y su entorno de trabajo. A medida que aumenta el número de ciclos, las diferencias entre las baterías se reflejan gradualmente. Las diferencias en el entorno de trabajo real durante la operación superpuesta agravan las diferencias entre varias baterías, lo que genera un problema de consistencia importante, lo que dificulta la gestión del BMS e incluso supone un riesgo de seguridad. En el diseño y la operación de la central eléctrica de almacenamiento de energía, la consistencia de la batería debe optimizarse al máximo para optimizar la eficiencia del sistema.
(3) Bajo costo
El costo de un sistema de almacenamiento de energía está relacionado con la inversión inicial y su ciclo de vida. El envejecimiento y el deterioro de los materiales de la batería, el sistema de carga y descarga, la temperatura de funcionamiento y la consistencia de los monómeros afectan su ciclo de vida. Cuando la diferencia de temperatura en el contenedor supera los 10 grados, su vida útil se reduce en más de un 15 %. Las diferencias de temperatura entre los módulos también pueden reducir la vida útil general del sistema. El sistema de almacenamiento de energía debe mejorar su ciclo de vida optimizando el método de carga y descarga, reduciendo la diferencia de temperatura entre los sistemas y mejorando la consistencia de la batería.
3. Ruta de la tecnología de integración del almacenamiento de energía: los esquemas de topología se iteran gradualmente
(1) Solución centralizada: 1500 V en lugar de 1000 V se ha convertido en una tendencia
Con el desarrollo de plantas de energía eólica centralizadas y el almacenamiento de energía a mayor capacidad, el alto voltaje de CC se ha convertido en la principal solución técnica para reducir costos y aumentar la eficiencia, y el sistema de almacenamiento de energía con voltaje del lado de CC aumentado a 1500 V se ha convertido gradualmente en una tendencia. En comparación con el sistema tradicional de 1000 V, el sistema de 1500 V aumenta la tensión soportada de cables, módulos de hardware BMS, PCS y otros componentes de no más de 1000 V a no más de 1500 V. La solución técnica de 1500 V del sistema de almacenamiento de energía proviene del sistema fotovoltaico. Según las estadísticas de CPIA, en 2021, la participación de mercado del sistema fotovoltaico doméstico con un nivel de voltaje de CC de 1500 V fue de aproximadamente el 49,4%, y se espera que aumente gradualmente a casi el 80% en el futuro. El sistema de almacenamiento de energía de 1500 V ayudará a mejorar la compatibilidad con el sistema fotovoltaico.
El rendimiento de la solución de sistema de almacenamiento de energía de 1500 V también se ha mejorado en comparación con la solución de 1000 V. Tomando la solución de Sungrow como ejemplo, en comparación con el sistema de 1000 V, la densidad energética y la densidad de potencia del sistema de baterías han aumentado en más de un 35 %. La misma capacidad de la central eléctrica requiere menos equipo, y el costo del sistema de baterías, PCS, BMS, cables y otros equipos se reduce considerablemente. , los costos de inversión en infraestructura y terrenos también se reducen simultáneamente. Según las estimaciones, en comparación con la solución tradicional, el costo de inversión inicial del sistema de almacenamiento de energía de 1500 V se reduce en más de un 10 %. Pero al mismo tiempo, al aumentar el voltaje del sistema de almacenamiento de energía de 1500 V, el número de baterías conectadas en serie aumenta, lo que dificulta su control de consistencia, y los requisitos para la prevención y protección del riesgo de arco de CC y el diseño de aislamiento eléctrico también son mayores.
(2) Solución distribuida: solución madura y de alta eficiencia
La solución distribuida también se denomina conexión en paralelo multiderivación en el lado de CA. A diferencia de la solución técnica centralizada, la solución distribuida convierte la conexión en paralelo del lado de CC del grupo de baterías en una conexión en paralelo del lado de CA mediante el inversor de cadena distribuido. Esto evita los riesgos de circulación en paralelo, pérdida de capacidad y arcos eléctricos de CC causados por la conexión en paralelo del lado de CC, y mejora la seguridad operativa. Al mismo tiempo, se mejora la precisión del control de varios grupos de baterías a un solo grupo de baterías, lo que aumenta la eficiencia del control.
La central eléctrica de almacenamiento de energía Shandong Huaneng Huangtai es la primera del mundo de 100 megavatios con control descentralizado. Esta central utiliza baterías CATL y el sistema PCS de Sineng Electric. Se estima que, tras su puesta en funcionamiento, la tasa de utilización de la capacidad de la batería en toda la central alcanzará aproximadamente el 92 %, 7 puntos porcentuales por encima del promedio actual del sector. Además, el control descentralizado de los grupos de baterías permite 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 eléctrica alcanza el 87,8 %. Según las estimaciones del proyecto, el sistema descentralizado no es 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 en la solución centralizada: (1) Atenuación de capacidad. En la solución tradicional, el uso de baterías tiene un obvio "efecto de placa corta". Los módulos de batería están conectados en paralelo. Durante la carga, una celda de la batería está llena y la carga se detiene. Durante la descarga, una celda de la batería está vacía y la descarga se detiene. La vida útil total del sistema depende de la vida útil de la batería más corta. (2) Consistencia. En la operación y aplicación del sistema de almacenamiento de energía, debido a diferentes entornos específicos, existe una desviación en la consistencia de la batería, lo que conduce a una disminución exponencial de la capacidad del sistema. (3) Desajuste de capacidad. La conexión en paralelo de baterías es probable que cause desajuste de capacidad, y la capacidad real de la batería es mucho menor que la capacidad estándar.
La solución de cadena inteligente resuelve los tres problemas mencionados anteriormente de la solución centralizada mediante un diseño modular, inteligente y de cadena: (1) Cadena. El optimizador de energía se utiliza para la gestión a nivel de módulo de batería, el controlador del grupo de baterías se utiliza para lograr el equilibrio entre grupos y el aire acondicionado distribuido reduce la diferencia de temperatura entre grupos. (2) Inteligencia. Aplica tecnologías TIC avanzadas como IA y BMS en la nube a escenarios de detección de cortocircuitos internos, aplica IA para predecir el estado de la batería y adopta estrategias de control de temperatura inteligente de enlace multimodelo para garantizar un estado óptimo de carga y descarga. (3) Modularización. El diseño modular del sistema de batería puede separar el módulo defectuoso por separado sin afectar el funcionamiento normal de otros módulos del grupo. Diseño modular de PCS: cuando falla un solo PCS, otros PCS pueden continuar funcionando, y cuando fallan varios PCS, el sistema puede seguir funcionando.
(4) Esquema de cascada de alto voltaje: esquema de alta eficiencia sin estructura paralela
La solución de almacenamiento de energía en cascada de alto voltaje está diseñada mediante electrónica de potencia para alcanzar una tensión de conexión a la red de 6-35 kV sin transformador. Tomando como ejemplo la solución de 35 kV de Xinfengfeng, el sistema de almacenamiento de energía es un sistema de 12,5 MW/25 MWh. La estructura eléctrica del sistema es similar a la de un sistema SVG de alto voltaje, compuesto por tres fases: A, B y C. Cada fase contiene 42 unidades de potencia de puente H que soportan 42 grupos de baterías. Un total de 126 unidades de potencia de puente H en tres fases suman 126 grupos de baterías, que almacenan un total de 25,288 MWh de electricidad. Cada grupo de baterías consta de 224 celdas conectadas en serie.
Las ventajas del sistema de conexión en cascada de alto voltaje se reflejan en: (1) Seguridad. Al no haber celdas conectadas en paralelo en el sistema, algunas baterías se dañan, el rango de reemplazo es limitado, el rango de influencia es pequeño y el costo de mantenimiento es bajo. (2) Consistencia. Los paquetes de baterías no están conectados directamente, sino después de CA/CC, por lo que todos los paquetes de baterías pueden controlarse mediante el equilibrio del estado de carga (SOC) a través de CA/CC. Al haber un solo grupo de baterías dentro del paquete, no hay conexión en paralelo de grupos de baterías y no habrá problemas de compartición de corriente. El control del equilibrio entre las celdas se realiza mediante el BMS dentro del grupo de baterías. Por lo tanto, esta solución puede maximizar el uso de la capacidad de la batería y, en el caso de la misma alimentación conectada a la red en el lado de CA, se pueden instalar menos baterías para reducir la inversión inicial. (3) Alta eficiencia. Al no tener celdas/grupos de baterías funcionando en paralelo, no se produce el efecto de cortocircuito y la vida útil del sistema es aproximadamente igual a la de una sola celda, lo que maximiza la economía de operación 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 multirama en el lado de CC. Sobre la base del esquema centralizado tradicional, se añade un convertidor CC/CC a la salida del grupo de baterías para aislarlo, y el convertidor CC/CC se conecta al PCS centralizado de CC. En el lateral, se conectan de 2 a 4 PCS en paralelo a un transformador in situ y se conectan a la red tras ser reforzados por el transformador. Al aumentar el aislamiento CC/CC en el sistema, se evitan los arcos eléctricos de CC, la corriente circulante y la pérdida de capacidad causadas por la conexión en paralelo de CC, lo que mejora considerablemente la seguridad del sistema y, por lo tanto, la eficiencia del mismo. Sin embargo, dado que el sistema necesita pasar por dos etapas de inversión, esto tiene un impacto negativo en la eficiencia del sistema.
Hora de publicación: 22 de septiembre de 2023