El sistema de almacenamiento de energía electroquímica consta de dos partes: la parte de corriente continua (CC) y la parte 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 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 su estructura eléctrica, los sistemas de almacenamiento de energía a gran escala se pueden dividir en:
(1) Centralizado: Sistema de almacenamiento de energía conectado a la red, de tipo elevador y de baja tensión y alta potencia. Varios grupos de baterías se conectan en paralelo y luego 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 de 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 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 clúster 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 clúster único, conectado directamente a la red eléctrica con un nivel de voltaje superior a 6/10/35 kV sin transformador. La capacidad de una sola unidad puede alcanzar 5 MW/10 MWh.
(5) Tipo distribuido: Múltiples 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 están conectados 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 posibles riesgos de seguridad de estas centrales se incluyen incendios eléctricos, incendios en las baterías, explosiones de hidrógeno en caso de incendio, fallos del sistema, etc. La causa de los problemas de seguridad suele estar relacionada con el sobrecalentamiento de la batería. Este sobrecalentamiento puede deberse a daños mecánicos, eléctricos y térmicos. Para evitar problemas de seguridad, es fundamental supervisar rigurosamente el estado de la batería y prevenir el sobrecalentamiento.
(2) Alta eficiencia
La consistencia de las celdas es un factor clave que afecta la eficiencia del sistema. Esta consistencia depende de la calidad de la batería, la solución de almacenamiento de energía y el entorno de funcionamiento. A medida que aumenta el número de ciclos de la batería, las diferencias entre ellas se hacen más evidentes. Las variaciones en el entorno de funcionamiento durante la operación continua agravan las diferencias entre las baterías, lo que genera un problema de consistencia importante y plantea desafíos para la gestión del sistema de gestión de baterías (BMS), e incluso riesgos para la 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 mejorar la eficiencia del sistema.
(3) Bajo costo
El coste de un sistema de almacenamiento de energía está relacionado con la inversión inicial y la 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 consistencia de los monómeros influyen en la vida útil de la batería. Cuando la diferencia de temperatura dentro del contenedor supera los 10 grados, la vida útil se reduce en más de un 15 %. Las diferencias de temperatura entre los módulos también pueden acortar la vida útil general del sistema. Para optimizar la vida útil del sistema de almacenamiento de energía, es necesario mejorarla mediante la optimización del método de carga y descarga, la reducción de la diferencia de temperatura entre los sistemas y la mejora de la consistencia de la batería.
3. Ruta tecnológica de integración del almacenamiento de energía: los esquemas topológicos se iteran gradualmente.
(1) Solución centralizada: 1500 V en lugar de 1000 V se ha convertido en una tendencia.
Con el desarrollo de centrales eólicas centralizadas y sistemas de almacenamiento de energía de mayor capacidad, la alta tensión continua (CC) se ha convertido en la principal solución técnica para reducir costes y aumentar la eficiencia, y el sistema de almacenamiento de energía con tensión en el lado de CC aumentada 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 de resistencia de los cables, los módulos de hardware BMS, los 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 cuota de mercado del sistema fotovoltaico nacional con un nivel de tensión CC de 1500 V era de aproximadamente el 49,4 %, y se espera que aumente gradualmente hasta 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 mejora en comparación con la solución 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 han aumentado en más del 35 %. La misma central eléctrica requiere menos equipos, y el costo del sistema de baterías, PCS, BMS, cables y otros equipos se reduce considerablemente. Los costos de inversión en infraestructura y terreno 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 del 10 %. Pero al mismo tiempo, después de que aumenta el voltaje del sistema de almacenamiento de energía de 1500 V, aumenta el número de baterías conectadas en serie, lo que hace que su control de consistencia sea más difícil, y los requisitos para la prevención y protección del riesgo de arco de CC y el diseño de aislamiento eléctrico también son más altos.
(2) Solución distribuida: solución madura y de alta eficiencia
La solución distribuida también se denomina conexión paralela multiramificada en el lado de CA. En comparación con la solución técnica centralizada, la solución distribuida convierte la conexión paralela del lado de CC del conjunto de baterías en una conexión paralela del lado de CA mediante un inversor de cadena distribuido, lo que evita los riesgos de circulación paralela, pérdida de capacidad y arcos eléctricos de CC causados por la conexión paralela del lado de CC, y mejora la seguridad operativa. Al mismo tiempo, la precisión del control cambia de múltiples conjuntos de baterías a un solo conjunto, y la eficiencia del control es mayor.
La central eléctrica de almacenamiento de energía Huangtai de Shandong Huaneng es la primera central eléctrica de almacenamiento de energía de 100 megavatios del mundo con control descentralizado. La central de Huangtai utiliza baterías CATL y el sistema PCS de Sineng Electric. Según las estimaciones, una vez puesta en marcha, la tasa de utilización de la capacidad de las baterías de toda la central puede alcanzar aproximadamente el 92%, lo que supone 7 puntos porcentuales más que la media actual del sector. Además, mediante el control descentralizado de los grupos de baterías, se puede realizar la calibración automática del estado de carga (SOC) de las baterías, 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%. A juzgar por las cotizaciones actuales del proyecto, el sistema descentralizado no resulta más caro que el sistema 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 claro “efecto de cortocircuito”. Los módulos de batería están conectados en paralelo. Al cargar, una celda de batería está llena y la carga se detiene. Al descargar, una celda de batería está vacía y la descarga se detiene. La vida útil general 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, hay una desviación en la consistencia de la batería, lo que lleva a una disminución exponencial de la capacidad del sistema. (3) Desajuste de capacidad. La conexión en paralelo de baterías puede causar un 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 anteriores de la solución centralizada a través del diseño de cadena, inteligente y modular: (1) Cadena. El optimizador de energía se utiliza para realizar la gestión a nivel de módulo de batería, el controlador de clúster de baterías se utiliza para lograr el equilibrio entre clústeres, y el acondicionador de aire distribuido reduce la diferencia de temperatura entre clústeres. (2) Inteligencia. Aplica tecnologías TIC avanzadas como IA y BMS en la nube a escenarios de detección de cortocircuito interno, aplica IA para predecir el estado de la batería, y adopta estrategias de control de temperatura inteligente de enlace multimodo para garantizar un estado óptimo de carga y descarga. (3) Modularización. El diseño modular del sistema de baterías puede separar el módulo defectuoso por separado sin afectar el funcionamiento normal de otros módulos en el clúster. Diseño modular de PCS, cuando un solo PCS falla, los otros PCS pueden seguir 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 lograr un voltaje conectado a la red de 6 a 35 kV sin transformador. Tomando como ejemplo la solución de 35 kV de Xinfengfeng, el sistema de almacenamiento de energía individual 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 en puente H que alimentan 42 grupos de baterías. Un total de 126 unidades de potencia en puente H en las tres fases tienen un total de 126 grupos de baterías, almacenando un total de 25,288 MWh de electricidad. Cada grupo de baterías consta de 224 celdas conectadas en serie.
Las ventajas del esquema de cascada de alto voltaje se reflejan en: (1) Seguridad. No hay celdas conectadas en paralelo en el sistema, algunas baterías se dañan, el rango de reemplazo es estrecho, el rango de influencia es pequeño y el costo de mantenimiento es bajo. (2) Consistencia. Los paquetes de baterías no están conectados directamente, sino que se conectan después de CA/CC, por lo que todos los paquetes de baterías pueden controlarse mediante el equilibrio del SOC a través de CA/CC. Solo hay un único grupo de baterías dentro del paquete de baterías, no hay conexión en paralelo de grupos de baterías, y habrá un problema de reparto de corriente. El control de equilibrio entre las celdas se realiza a través del 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 potencia conectada a la red en el lado de CA, se pueden instalar menos baterías para reducir la inversión inicial. (3) Alta eficiencia. Dado que el sistema no tiene celdas/grupos de baterías funcionando en paralelo, hay un efecto de cortocircuito, y la vida útil del sistema es aproximadamente igual a la vida útil de una sola celda, puede maximizar la economía operativa 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 paralela de múltiples ramas en el lado de CC. Sobre la base del esquema centralizado tradicional, se agrega un convertidor CC/CC a la salida del grupo de baterías para aislarlo, y este convertidor se conecta al lado de CC del PCS centralizado. De 2 a 4 PCS se conectan en paralelo a un transformador local y se conectan a la red eléctrica después de ser elevados por el transformador. Al aumentar el aislamiento CC/CC en el sistema, se evitan los arcos eléctricos, las corrientes circulantes y las pérdidas de capacidad causadas por la conexión paralela de CC, lo que mejora considerablemente la seguridad del sistema y, por lo tanto, su eficiencia. Sin embargo, dado que el sistema necesita pasar por dos etapas de inversión, esto tiene un impacto negativo en la eficiencia del sistema.
Fecha de publicación: 22 de septiembre de 2023