Однако одной из проблем солнечной энергии является её непостоянный характер. Солнце светит не всегда, и выработка энергии может быть нерегулярной. Солнечные инверторы требуют высокой эффективности и расширенных возможностей, и именно здесь интеграция с системами хранения энергии (ESS) становится мощным решением для обеспечения постоянного и надежного энергоснабжения. По мере совершенствования технологий и снижения затрат ожидается рост внедрения солнечных энергетических систем с возможностью хранения энергии, что проложит путь к более устойчивому и надежному энергетическому будущему. В данной статье рассматриваются преимущества, типы и топологии интеграции систем хранения энергии с фотоэлектрическими системами в жилых и коммерческих объектах.

Понимание принципов работы солнечных инверторов и систем хранения энергии

Солнечные инверторы — это сердце фотоэлектрической системы. Они преобразуют постоянный ток, вырабатываемый солнечными панелями, в переменный ток, который затем может подаваться в сеть. Помимо преобразования, солнечные инверторы управляют потоком энергии, оптимизируют производительность системы и обеспечивают безопасность.

Системы хранения энергии (ESS) накапливают энергию для последующего использования, помогая сбалансировать спрос и предложение и повысить надежность энергосистемы. Существует несколько типов ESS, например:

• Системы хранения энергии на основе аккумуляторов (BESS), такие как литий-ионные батареи, используются благодаря высокой плотности энергии, эффективности и снижению стоимости. Они широко распространены в системах хранения энергии для электросетей и электромобилях.
• Механические системы хранения энергии , такие как гидроаккумулирующие электростанции, являются наиболее распространенной крупномасштабной технологией хранения энергии. Они предполагают перемещение воды между двумя водохранилищами, расположенными на разных высотах. Этот тип обеспечивает наибольшую емкость для хранения энергии.
• Системы теплового аккумулирования , такие как « аккумуляторы на основе расплавленной соли », используются на солнечных тепловых электростанциях для хранения тепла и выработки электроэнергии по мере необходимости, особенно в коммерческих целях для краткосрочного хранения.

В фотоэлектрических системах для хранения избыточной солнечной электроэнергии часто используются литий-ионные системы хранения энергии , обеспечивающие постоянное и надежное электроснабжение в периоды пиковой нагрузки, ночью и в пасмурные дни.

Преимущества интеграции систем хранения энергии с солнечными инверторами

Интеграция систем хранения энергии (ESS) с солнечными инверторами обеспечивает энергетическую независимость и надежность. Накопляя избыточную солнечную энергию, пользователи могут снизить свою зависимость от сети и обеспечить постоянное электроснабжение даже во время отключений или периодов низкой выработки солнечной энергии. Это позволяет им использовать накопленную солнечную энергию в пиковые периоды спроса или при более высоких ценах на электроэнергию, снижая затраты и минимизируя нагрузку на электроэнергетическую инфраструктуру. Кроме того, ESS могут способствовать регулированию частоты и оптимизации общей производительности сети.

Сегментация систем хранения энергии

Системы хранения энергии (ESS) делятся на два сегмента: линейные (FTM) и залинейные (BTM). Системы FTM обычно используются в мощных системах мощностью более 5 МВт, тогда как системы BTM применяются в бытовых и коммерческих фотоэлектрических системах мощностью от нескольких киловатт до 5 мегаватт.

Типы солнечных инверторов

Сетевые инверторы работают путем последовательного соединения солнечных панелей, образуя цепочку. Суммарный постоянный ток, вырабатываемый панелями, поступает на один инвертор, который преобразует его в переменный ток. Они широко используются в жилых, коммерческих и коммунальных установках. В случае трехфазных инверторов используется напряжение панели от 1000 до 1500 В постоянного тока с повышающим преобразователем. Сетевые инверторы экономичны, просты в установке и обслуживании. Проблема может возникнуть, если одна из панелей в цепочке затенена или работает с меньшей мощностью, так как это может негативно повлиять на производительность всей системы.

В отличие от них, микроинверторы предназначены для индивидуального подключения к каждой панели и преобразования постоянного тока, генерируемого каждой панелью, в переменный. В отличие от струнных инверторов, которые подключаются последовательно, они подключаются параллельно. Поэтому, если одна панель затенена или работает с меньшей мощностью, это не влияет на производительность других. Типичная выходная мощность микроинверторов составляет от 200 Вт до 1,5 кВт при напряжении фотоэлектрической батареи от 40 до 80 В. Этот тип инвертора идеально подходит для бытовых систем, где панели могут быть ориентированы в разных направлениях, поскольку они максимизируют выработку электроэнергии каждой панелью независимо, смягчая влияние затенения или смещения панелей. Главный недостаток — высокая первоначальная стоимость.

Интеграция накопителей энергии (ESS) с фотоэлектрическими солнечными панелями приводит к созданию гибридного инвертора. Этот тип инвертора работает в обоих направлениях: генерируемая энергия постоянного тока либо преобразуется непосредственно в переменный ток, либо накапливается до преобразования. Гибридные инверторы оптимизируют использование и хранение энергии, управляя потоком электроэнергии между панелями, батареями и сетью, что позволяет расставлять приоритеты при зарядке батарей, подключении к сети или собственном потреблении.

системы интеграции систем хранения энергии

Существует два подхода к интеграции систем накопления энергии (ESS) с фотоэлектрическими системами: системы ESS с переменным током (AC-coupled ESS) и системы ESS с постоянным током (DC-coupled ESS). Фундаментальное различие между системами с переменным током и системами с постоянным током заключается в пути, по которому проходит электроэнергия после её выработки солнечными панелями.

В системе с переменным током фотоэлектрическая система и система накопления энергии (ESS) подключаются к сети переменного тока через свои инверторы. Солнечные панели генерируют постоянный ток, который солнечный инвертор преобразует в переменный. Система накопления энергии, в свою очередь, обычно оснащена собственными двунаправленными преобразователями постоянного тока и инверторами для зарядки и разрядки в сеть переменного тока.

В отличие от этого, в системе с постоянным током солнечные панели и аккумуляторная батарея используют общую шину постоянного тока и, в основном, один инвертор для преобразования постоянного тока в переменный для использования в сети или бытовых целях. Солнечные панели могут использоваться для прямой зарядки батарей, а при необходимости накопленный постоянный ток преобразуется в переменный с помощью гибридного инвертора.

Схемы электропитания для струнных инверторов и систем накопления энергии

Для проектирования преобразователей постоянного тока в постоянный и инверторов постоянного тока в переменный можно использовать несколько силовых схем. Различные схемы обладают разными преимуществами и выбираются на основе требований к мощности, эффективности, стоимости и сложности. Вот некоторые из наиболее распространенных схем:

На первом этапе преобразователя предназначен трекер точки максимальной мощности (MPPT), который максимизирует выработку энергии фотоэлектрической системой за счет индивидуальной оптимизации работы каждой солнечной панели в массиве. Он регулирует выходной ток панели до оптимальной точки мощности, прежде чем передать энергию инвертору. Эта оптимизация имеет решающее значение, поскольку выходная мощность солнечной панели может изменяться из-за изменений интенсивности солнечного света, затенения, температуры и смещения панели.

Современная тенденция заключается в повышении напряжения постоянного тока до 1000 или 1500 В для снижения потерь энергии в системе и обеспечения возможности последовательного подключения большего количества панелей. Увеличение максимального напряжения постоянного тока солнечного инвертора до 1500 В или выше делает фотоэлектрические электростанции более экономически эффективными. Типичные топологии для этого этапа включают в себя чередующийся повышающий преобразователь, полномостовую фазовую манипуляцию (PSFB) и LLC-преобразователь.

Второй этап преобразования состоит из двунаправленного DC-DC преобразователя. Этот этап используется для зарядки или накопления энергии в батарее и разрядки или высвобождения этой энергии по мере необходимости. Типичными изолированными топологиями являются CLLC и DAB.

Силовой каскад инвертора преобразует напряжение звена постоянного тока в переменное напряжение для сети. К распространенным топологиям относятся B6 и двухуровневый H-мост, а также трехуровневые ANPC и HERIC. Многоуровневые инверторные топологии стали популярны в приложениях средней и высокой мощности. Преимущества использования трехуровневых инверторных топологий заключаются в следующем:

1. уменьшение рассеиваемой мощности, что приводит к уменьшению размеров радиатора;
2. Снижение пульсаций напряжения для упрощения фильтрации за счет более низкого содержания гармоник;
3. значительно меньше проводимых электромагнитных помех.

DC-DC топологии

Для достижения высокой эффективности и плотности мощности в конфигурации звена постоянного тока 400 В рекомендуется использовать топологию PSFB с переключением при нулевом напряжении (ZVS) и применением полупроводниковых транзисторов Q1–Q4 на основе SiC MOSFET с напряжением 650 В. Управление полупроводниками осуществляется с помощью метода сдвига фазы, позволяющего им включаться при нулевом напряжении на них. Это значительно снижает потери при переключении и электромагнитные помехи (ЭМП), а также нагрузку на полупроводниковые приборы. Кроме того, для диодов D1 и D2 на первичной обмотке следует выбрать диоды SiC с напряжением 650 В. Для конфигурации звена постоянного тока 800 В следует выбрать диоды SiC и MOSFET с напряжением 1200 В. На вторичной обмотке переключателей Q5–Q8 выбор силовых переключателей зависит от напряжения батареи. Например, в бытовых системах накопления энергии (ESS) обычно используются батареи на 48 В, в то время как в коммерческом сегменте чаще используются батареи на 400 В.

Одной из наиболее распространенных топологий двунаправленных DC-DC преобразователей является преобразователь CLLC. В нем используются два индуктора (L) и два конденсатора (C) в параллельном резонансном контуре. Схема обычно напоминает схему «LLC», отраженную как на первичной, так и на вторичной сторонах. Для ключей Q1–Q4 используются SiC MOSFET, а для ключей Q5–Q8 — Si MOSFET. Конструкция CLLC обеспечивает переключение полупроводников с нулевым током (ZC) на первичной стороне, что помогает снизить потери при переключении и повысить эффективность. На вторичной стороне также возможно переключение с нулевым током (ZCS) для дальнейшего повышения эффективности за счет минимизации потерь при переключении в выключенном состоянии. Преобразователь CLLC требует точного управления для эффективного регулирования резонансной частоты и последовательности переключений.

Преобразователь DAB состоит из двух активных полномостовых схем на первичной и вторичной обмотках, соединенных высокочастотным трансформатором. Аналогично топологии CLLC, оба моста имеют активные переключатели, обеспечивающие двунаправленный поток мощности. Обычно для переключателей Q1–Q4 используются SiC MOSFET, а для переключателей Q5–Q8 — Si MOSFET. Для точного управления фазовым сдвигом между мостами преобразователю DAB требуются сложные алгоритмы управления.

Топологии инверторов (DC-AC)

Инвертор с активной фиксированной нейтральной точкой (ANPC) — это усовершенствованная конфигурация инвертора. Он основан на традиционной топологии с фиксированной нейтральной точкой (NPC) и включает в себя активные переключатели, которые помогают снизить потери проводимости и переключения. Инвертор ANPC может генерировать три уровня напряжения, снижая нагрузку на каждый компонент и, следовательно, обеспечивая более стабильный выходной переменный ток с меньшим общим коэффициентом гармонических искажений. Переключатели Q1–Q4 работают на частоте сети, в то время как Q5 и Q6 модулируют на частоте 50 кГц или выше. В инверторе ANPC все силовые переключатели могут иметь номинальное напряжение пробоя 600 или 650 В. Использование SiC MOSFET для переключателей Q5 и Q6 повышает эффективность и плотность мощности. Инвертор ANPC требует сложных алгоритмов управления. Эта топология сложнее в проектировании и управлении по сравнению с такими топологиями, как H-мост.

H-мостовая топология популярна благодаря своей простоте, эффективности и универсальности, поскольку состоит из четырех переключающих элементов. Для быстродействующей линии переключения транзисторы Q3 и Q4 обычно используют SiC MOSFET на 650 В или GaN HEMT, а для Q1 и Q2 подходящим выбором являются Si MOSFET с быстродействующим диодом (SJ MOSFET). Главным недостатком этой двухуровневой работы является использование относительно большого выходного фильтра, поскольку он регенерирует энергию во время свободного протекания тока через конденсатор постоянного тока.

Концепция высокоэффективного и надежного инвертора (HERIC) особенно примечательна своей высокой эффективностью и превосходными характеристиками преобразования постоянного тока в переменный. В этой конфигурации к традиционному H-образному инвертору добавлены два антипараллельных ключа, Q5 и Q6, для отключения переменного тока фотоэлектрических модулей, когда выработка электроэнергии не происходит. Эта топология включает шесть полупроводниковых элементов: четыре в H-образном мосту (Q1–Q4) переключаются на высокой частоте, а два внешних — на частоте сети. Полупроводники Q5 и Q6 позволяют току протекать по кратчайшему пути в периоды, когда выходное напряжение H-образного инвертора равно нулю. Главное преимущество инвертора HERIC заключается в том, что во всех режимах работы одновременно работают только два ключа.

Широкополосные устройства (WBG) обеспечивают явные преимущества для двунаправленных DC-DC преобразователей и DC-AC инверторов. Устройства на основе SiC и GaN обладают очень низкой энергией переключения и незначительными или даже нулевыми зарядами обратного восстановления (Qrr), что снижает потери при переключении и обратном восстановлении.

Заключение

Интеграция систем хранения энергии с фотоэлектрическими системами представляет собой значительный шаг вперед в использовании солнечной энергии. Обеспечение надежного и стабильного электроснабжения снижает зависимость от сети и максимально увеличивает использование солнечной энергии. Эти системы предлагают многочисленные экономические и экологические преимущества. Устройства на основе SiC и GaN обеспечивают двунаправленный поток для топологий синхронного выпрямления, достигая высокой эффективности и плотности мощности. Компания Arrow Electronics всегда выступала за энергоэффективность, и мы хотим внести свой вклад в эту дискуссию, продемонстрировав очевидные преимущества выбора устройств на основе SiC с напряжением 650 В, 1200 В и 2200 В с оценочными платами, которые упрощают процесс проектирования и сокращают время выхода на рынок.

Омара Азиз — руководитель глобального сегмента энергетических технологий, Arrow Electronics.