Quattro considerazioni progettuali quando si aggiungono apparecchiature per accumulatori di energia a una rete fotovoltaica

Mentre il numero di impianti fotovoltaici (PV) continua a crescere, lo squilibrio tra domanda e offerta della rete solare è diventato un vincolo importante. C'è molta energia solare disponibile durante il giorno, ma la domanda non è molta. Ciò significa che i clienti pagheranno un prezzo più alto per watt al mattino e alla sera durante le ore di punta.

I sistemi di accumulo di energia (ESS) per i dispositivi solari nei servizi residenziali, commerciali e pubblici utilizzano inverter per immagazzinare l'elettricità o la rete durante il giorno in cui la domanda è più bassa e per immagazzinare quando la domanda è enorme, rilasciando l'energia che è stata generata. L'aggiunta di ESS a un sistema solare connesso alla rete consente agli utenti di risparmiare denaro sull'uso di una tecnologia chiamata "peak shaving".

  Conversione di potenza bidirezionale

Le apparecchiature fotovoltaiche tradizionali sono costituite da stadi di potenza CC/CA e CC/CC unidirezionali, ma il metodo di conversione unidirezionale rappresenta un grosso ostacolo all'integrazione degli ESS. Sono necessari più componenti, moduli e sottosistemi, ognuno dei quali aumenta significativamente il costo dell'aggiunta di un ESS a un impianto solare esistente.

Per aggiungere una batteria a un dispositivo FV esistente, i due percorsi di carica e scarica della batteria devono essere combinati in un unico percorso costituito dalla correzione del fattore di potenza (PFC) e dai livelli di potenza dell'inverter. . Ma come si costruisce un convertitore di potenza bidirezionale invece di due convertitori di potenza unidirezionali?

 Gli inverter ibridi possono effettivamente migliorare l'efficienza della fase di conversione, ma questo miglioramento dell'efficienza è più importante per le microreti dotate di ESS che eseguono più conversioni di potenza. Il sistema di conversione di potenza gestisce la conversione DC/DC per caricare e scaricare la batteria. Gestisce inoltre la conversione DC/AC e AC/DC, che converte la corrente continua immagazzinata nelle batterie in corrente alternata sia in ingresso che in uscita dalla rete.

  Batteria ad alta tensione

In un sistema di microrete con batteria di accumulo, la funzione principale della batteria è quella di immagazzinare energia fotovoltaica e fornire energia alla rete su richiesta. Le batterie agli ioni di litio hanno una capacità di accumulo per unità notevolmente superiore rispetto alle batterie al piombo.

Mentre le batterie da 400 V stanno guadagnando popolarità nei veicoli elettrici (EV), anche i dispositivi di rete solare stanno aumentando la tensione della batteria da 48 V. Ma come si gestisce la conversione di potenza di un pacco batterie da 400V?

Oltre ai microcomputer con capacità di controllo e comunicazione del sistema che incorporano ESS in sistemi più grandi, gli interruttori di alimentazione a bassa perdita ed efficienti migliorano anche la sicurezza e l'affidabilità dei sistemi di accumulo dell'energia. Interruttori di potenza compatti e microcomputer in tempo reale basati su materiali in carburo di silicio (SiC) e nitruro di gallio (GaN) consentono di modificare i convertitori a due vie per ospitare una varietà di unità di accumulo di energia CC.

  Design del convertitore CC/CC a doppio ponte attivo

I semiconduttori a banda larga come SiC e GaN svolgono un ruolo importante nella soluzione di sistemi di conversione di potenza in grado di gestire l'aumento della gamma di tensione della batteria poiché i convertitori aumentano la densità di potenza e riducono le perdite di commutazione. . Il sistema di conversione dell'energia consente inoltre al pacco batterie di gestire meglio le fluttuazioni di potenza nel sistema di generazione distribuito, con conseguente funzionamento della rete intelligente e resiliente a tensioni più elevate e più ampie.

Alla fine, i dispositivi solari potrebbero imitare i pacchi batteria utilizzati nelle auto elettriche. L'idea di riciclare i pacchi batteria attualmente utilizzati nei veicoli elettrici come ESS connessi alla rete sta diventando comune.

  Materiali ad ampia banda proibita richiesti per l'efficienza e la convezione naturale

Per costruire un sistema di accumulo a parete intelligente, è necessario progettare un inverter che ottimizzi la dissipazione del calore utilizzando un raffreddamento convettivo naturale minimo. Le architetture a potenza distribuita consentono la distribuzione centralizzata del calore in tutto il sistema. Questa architettura garantisce che gli inverter di accumulo dell'energia richiesti possano gestire livelli di corrente elevati a diverse tensioni e rispondere in modo affidabile ai transitori di carico in rapida evoluzione.

Tali sistemi richiedono gate driver che supportano la commutazione ad alta velocità e forniscono protezione a frequenze di commutazione da 100kHz a 400kHz. Se la velocità di commutazione non è abbastanza veloce, scoprirai che la fase di conversione di potenza è notevolmente inefficiente.

È qui che entrano in gioco materiali a banda larga con commutazione rapida e densità di potenza elevate, come SiC e GaN. Questi dispositivi a semiconduttore facilitano la progettazione di sistemi che non richiedono il raffreddamento della ventola. Il dispositivo GaN LMG3425R030 con driver integrato e funzioni di protezione presenta un profilo compatto, un'elevata densità di potenza e una commutazione rapida.

Il gate driver converte il segnale PWM digitale del controller nella corrente richiesta dal transistor ad effetto di campo (FET) SiC o GaN. Il controller basato su PWM consente un campionamento accurato di tensione e corrente su più stadi di conversione di potenza.

  Rilevamento di corrente e tensione

La progettazione di alimentatori a commutazione ad alta frequenza deve affrontare la sfida del rilevamento accurato di corrente e tensione. Le misurazioni della corrente con uno shunt non solo migliorano la precisione, ma accelerano anche i tempi di reazione, consentendo di reagire rapidamente a qualsiasi cambiamento nella rete, in modo da poter interrompere le connessioni del sistema se la rete è in cortocircuito o disconnessa. È aumentato.

Le misurazioni della corrente sono essenziali per i progetti incentrati sugli inverter, poiché l'algoritmo di controllo richiede misurazioni elettrofluometriche per il controllo. Sono disponibili alcune soluzioni progettuali per misure di corrente isolate utilizzando amplificatori/modulatori e alimentatori isolati da shunt esterni.

I convertitori di potenza devono misurare la corrente nella rete per vedere se la corrente è in fase con la tensione. Misurando la corrente e la tensione, oltre a controllare la corrente di carica della batteria, viene controllato anche il funzionamento dell'inverter e la funzione di protezione da sovraccarico.

  Conclusione

Si prevede che gli inverter ibridi, che eseguono la conversione di potenza bidirezionale tra CA/CC e CC/CC, sostituiranno i tradizionali inverter solari nei prossimi anni. I progettisti di inverter solari saranno in grado di ottenere la conversione di potenza con un'ampia gamma di potenza e voltaggio in uscita utilizzando inverter ibridi.

L'aumento della tensione della batteria e l'ampliamento dell'intervallo di tensione sono questioni importanti per gli inverter solari compatibili con l'accumulo di energia. Con componenti essenziali come il controllo del microcomputer e semiconduttori ad ampia banda proibita con gate driver e protezione incorporati, queste tensioni di cella più elevate e più ampie possono essere supportate oltre alla necessità di alta efficienza e convezione naturale.