Najczęstszym przypadkiem wykorzystania bateryjnego magazynu energii elektrycznej, jest jego przyłączenie do trójfazowej sieci elektroenergetycznej. Zachodzi wtedy potrzeba konwersji napięcia stałego baterii na napięcie przemienne sieci elektroenergetycznej. W tym celu zastosowanie znajdują falowniki.
Wymagania zależne od aplikacji
Poza oczywistym zadaniem przesyłu mocy pomiędzy siecią elektroenergetyczną a baterią, wobec przekształtników magazynów energii stawiane są oczekiwania specyficzne dla danej aplikacji. Choć zastosowania magazynów energii są szerokie, to można wyróżnić dwie kategorie rozwiązań: magazyny konsumenckie niewielkiej mocy i pojemności (residential) oraz przemysłowe o średniej/dużej mocy i pojemności (industrial, utility-scale).
Cechy typowe dla rozwiązań konsumenckich:
- praca przekształtnika w trybie on-grid oraz off-grid (w tym z obciążeniami niesymetrycznymi),
- praca w sieci czteroprzewodowej (3W+N) w układzie bez transformatora,
- praca z niskonapięciowymi pakietami baterii,
- symetryzacja prądów fazowych w miejscu przyłączenia (np. budynku mieszkalnego) do sieci,
- współpraca z instalacjami OZE, np. zainstalowaną już fotowoltaiką, w tym także w trybie off-grid.
Cechy typowe dla rozwiązań przemysłowych:
- praca on-grid w układzie trójprzewodowym (3W), opcjonalnie off-grid w układzie czteroprzewodowym (4W),
- wysoka sprawność konwersji mocy w obu kierunkach (round trip efficiency),
- wysoka dyspozycyjność i niezawodność,
- obsługa baterii o napięciu do 1000V DC, lub 1500V DC.
Topologia układowa falownika sieciowego
Najczęściej stosowanym rozwiązaniem są falowniki napięcia (VSI – Voltage Source Inverter). Poniżej przedstawiono cztery najpopularniejsze topologie układowe.
- standardowy, dwupoziomowy (2L),
- trójpoziomowy (3L) TNPC (T-type Neutral Point Clamped),
- trójpoziomowy (3L) NPC (Neutral Point Clamped),
- trójpoziomowy (3L) ANPC (Active Neutral Point Clamped).
Topologia dwupoziomowa (2L) czy trójpoziomowa (3L)
Przekształtnik (po stronie AC) wytwarza prostokątny przebieg napięcia, który po uśrednieniu (w skutek działania filtru) ma odzwierciedlać sinusoidalny charakter napięcia sieci elektroenergetycznej. Przekształtniki dwupoziomowe (2L) oferują na wyjściu napięcia o wartości szyny DC, podczas gdy przekształtniki trójpoziomowe (3L) dysponują dodatkowym napięciem wynikającym z podziału szyny DC na dwie części. Najistotniejsze zalety i wady obu rozwiązań zestawiono poniżej.
2L
- niewielka ilość półprzewodników,
- prosta budowa i sterowanie,
- niski koszt.
- wysoka wartość CMV (Common Mode Voltage),
3L
- redukcja rozmiaru filtru sieciowego,
- redukcja strat mocy w filtrze sieciowym,
- zredukowana wartość CMV (Common Mode Voltage).
- większa ilość półprzewodników i sterowników tranzystorów,
- złożona budowa obwodu DC,
- znacząca komplikacja, wyższy koszt.
Wybór topologii dla systemu 1000V DC
Dla poziomów napięcia 1000V DC (typowo 400-480V AC) największą popularnością cieszą się topologie 2L lub 3L TNPC. Przesłanki dla zastosowania tej drugiej to zmniejszenie gabarytów filtrów sieciowych, a także redukcja CMV (Common Mode Voltage) szyny DC względem potencjału neutralnego (typowo ziemi). Można także spotkać rozwiązania oparte o topologię 3L NPC, choć jest to zdecydowanie mniej popularne. Topologia 3L ANPC, z racji swojej komplikacji i kosztowności, stanowi raczej rzadkość dla tego poziomu napięcia.
| Parametr | 2L | 3L TNPC | 3L NPC | 3L ANPC |
|---|---|---|---|---|
| Klasa napięciowa półprzewodników | 1200V | 1200V/600V | 600V | 600V |
| Ilość półprzewodników | 6T | 6T + 6T | 12T + 6D | 18T |
| Wymiary komponentów filtru | większe | mniejsze | mniejsze | mniejsze |
| Poziom CMV | wysoki | zredukowany | zredukowany | zredukowany |
Wybór topologii dla systemu 1500V DC
W przypadku napięć DC sięgających 1500V (typowo 800V AC) popularne są rozwiązania oparte o topologię 3L NPC/ANPC, głównie za sprawą możliwości zastosowania tranzystorów o napięciu 1200V. Spotyka się także topologię 3L TNPC w oparciu o półprzewodniki 2300/1200V (np. Infineon Prime Pack 3+). Topologia 2L stanowi raczej rzadkość dla tego poziomu napięcia.
| Parametr | 2L | 3L TNPC | 3L NPC | 3L ANPC |
|---|---|---|---|---|
| Klasa napięciowa półprzewodników | 1700V * lub 2300V | 1700V/1200V * lub 2300V/1200V | 1200V | 1200V |
| Ilość półprzewodników | 6T | 6T + 6T | 12T + 6D | 18T |
| Wymiary komponentów filtru | większe | mniejsze | mniejsze | mniejsze |
| Poziom CMV | wysoki | zredukowany | zredukowany | zredukowany |
*Dla roboczych napięć szyny DC nie przekraczających 1300V DC.
Dodatkowy przekształtnik DC/DC
Falownik sieciowy AC/DC tworzy szynę DC, która może zostać bezpośrednio połączona z pakietem baterii. Niemniej jednak, minimalne napięcie baterii musi pozostawać wyższe niż maksymalna amplituda napięcia przewodowego (międzyfazowego) sieci. W przeciwnym wypadku, istnieje ryzyko niekontrolowanego przepływu mocy w kierunku baterii. Niestety, wypełnienie tego warunku pociąga za sobą konieczność pracy z wysokimi wartościami napięcia DC, o szerokim zakresie zmian. Alternatywą jest zastosowanie dodatkowego przekształtnika DC/DC (typowo podwyższającego napięcie), włączonego pomiędzy falownikiem a pakietem baterii.
Najistotniejsze zalety i wady obu rozwiązań zostały zestawione poniżej.
Układ przetwarzania bezpośredniego
- wysoka sprawność,
- zwiększone obciążenie filtru sieciowego, w skutek dużej zmienności napięcia DC,
- brak możliwości włączenia innych źródeł do szyny DC falownika.
Układ z przekształtnikiem DC/DC
- stała wartość napięcia szyny DC falownika,
- możliwość włączenia innych źródeł do szyny DC falownika,
- obniżona sprawność (dodatkowy przekształtnik).
Izolacja od potencjału sieci
W niektórych aplikacjach izolacja galwaniczna baterii od potencjału sieci elektroenergetycznej jest wskazana lub wręcz niezbędna. Ten efekt można osiągnąć przynajmniej na dwa sposoby:
- wykorzystując transformator niskiej częstotliwości (50 Hz) włączony pomiędzy siecią elektroenergetyczną a przekształtnikiem,
- wykorzystując transformator wysokiej częstotliwości (kilka, kilkadziesiąt kHz) stanowiący część izolowanego przekształtnika DC/DC typu DAB (Dual Active Bridge).
Jedną z przesłanek dla zastosowania izolacji jest problem napięć wspólnych szyny DC (CMV – Common Mode Voltage) występujących względem potencjału neutralnego sieci zasilającej (typowo potencjału ziemi). Jego zbyt wysoka wartość może stanowić zagrożenie dla baterii i dla prawidłowej pracy BMS. Przebieg tego napięcia jest ściśle związany z topologią układową przekształtnika, gdzie układy trójpoziomowe odznaczają się zredukowaną wartością CMV.
Najistotniejsze zalety i wady obu rozwiązań zostały zestawione poniżej.
Układ z transformatorem LF 50Hz
- wyższa sprawność (mniejsza ilość stopni przetwarzania),
- ułatwiona aplikacja dla sieci średniego napięcia,
- prostsza budowa i sterowanie systemu pracującego w sieci 4W (3xL+N),
- znaczne gabaryty i masa transformatora.
Układ z transformatorem HF (DAB)
- mniejsze rozmiary i masa transformatora,
- szeroki zakres regulacji napięcia baterii,
- typowo niższa sprawność.
Podsumowanie
Dobór topologi układowej przekształtników magazynów energii to obszerny temat, trudny do wyczerpania na łamach krótkiego tekstu. Niemniej jednak, postaraliśmy się przybliżyć powyższą tematykę, zachowując zwięzłą formę oraz kładąc nacisk na najistotniejsze aspekty rozwiązań szeroko stosowanych w aplikacjach komercyjnych.
