BESS DC बस डिज़ाइन: बैटरी सिस्टम और PCS के बीच बिजली प्रवाह का प्रबंधन

बैटरी ऊर्जा भंडारण प्रणाली में, बिजली सीधे बैटरी पैक से पीसीएस में स्थानांतरित नहीं होती है।

एक बड़े BESS में एक ही विद्युत संरचना के अंतर्गत कई बैटरी शाखाएँ या बैटरी रैक हो सकते हैं। इन शाखाओं को इस प्रकार से जोड़ा जाना चाहिए जिससे नियंत्रित धारा वितरण और स्पष्ट विद्युत सीमाओं को बनाए रखते हुए बैटरी प्रणाली और PCS के बीच चार्ज और डिस्चार्ज पावर का प्रवाह हो सके।

यहीं पर डीसी बस का महत्व सामने आता है।

डीसी बस कई बैटरी शाखाओं से बिजली एकत्रित करने और उस बिजली को पीसीएस की ओर स्थानांतरित करने के लिए एक सामान्य विद्युत पथ प्रदान करती है। चार्जिंग के दौरान, यही पथ विपरीत दिशा में, पीसीएस से बैटरी सिस्टम की ओर बिजली ले जाता है।

जैसे-जैसे BESS पावर लेवल बढ़ता है, DC बस केवल दो उपकरणों के बीच का कनेक्शन नहीं रह जाता। इसकी विद्युत व्यवस्था करंट वितरण, वोल्टेज ड्रॉप, फॉल्ट व्यवहार, आइसोलेशन और विभिन्न बैटरी शाखाओं के PCS के साथ परस्पर क्रिया करने के तरीके को प्रभावित कर सकती है।

BESS में DC बस कहाँ फिट होती है

एक सरलीकृत BESS पावर पाथ को इस प्रकार दर्शाया जा सकता है:

बैटरी सिस्टम → डीसी कनेक्शन → डीसी बस → पीसीएस → एसी सिस्टम

चार्जिंग साइड पर, दिशा उलट जाती है:

एसी सिस्टम → पीसीएस → डीसी बस → बैटरी सिस्टम

वास्तविक आर्किटेक्चर सिस्टम की क्षमता, बैटरी कॉन्फ़िगरेशन, पीसीएस टोपोलॉजी और एकीकरण दृष्टिकोण के आधार पर भिन्न होता है।

एक BESS केंद्रीकृत DC बस, कई बस सेक्शन, अलग-अलग बैटरी शाखाएँ या अधिक मॉड्यूलर व्यवस्था का उपयोग कर सकता है। उद्देश्य एक ही है: बैटरी साइड और PCS के बीच एक नियंत्रित विद्युत इंटरफ़ेस प्रदान करना।

इसलिए डीसी बस व्यक्तिगत बैटरी पावर पथों और सामान्य रूपांतरण चरण के बीच स्थित होती है।

इस स्थिति के कारण इसे कई कार्य करने की क्षमता प्राप्त होती है:

• कई बैटरी शाखाओं से करंट को एकत्रित करना
• चार्जिंग करंट को बैटरी की अलग-अलग शाखाओं में वितरित करना
• बैटरी सिस्टम के लिए परिभाषित कनेक्शन बिंदु प्रदान करना
• विद्युत पृथक्करण क्षेत्र स्थापित करना
• सिस्टम-स्तरीय सुरक्षा का समर्थन करना
• बैटरी-साइड पावर पाथ को PCS से जोड़ना

समानांतर बैटरी शाखाओं की संख्या बढ़ने पर डिजाइन का महत्व और भी बढ़ जाता है।

कई बैटरी शाखाओं के कारण डिज़ाइन में बदलाव क्यों होता है?

एक सिंगल बैटरी ब्रांच में पावर पाथ अपेक्षाकृत सीधा होता है।

जब कई शाखाओं को समानांतर क्रम में जोड़ा जाता है, तो डीसी बस को संयुक्त धारा को संभालना होता है और प्रत्येक शाखा के लिए एक उपयुक्त विद्युत पथ प्रदान करना होता है।

उदाहरण के लिए, यदि बैटरी की चार शाखाएँ किसी विशेष परिचालन स्थिति में प्रत्येक 250 A करंट प्रदान करती हैं, तो डीसी बस के सामान्य भाग को लगभग 1,000 A करंट ले जाने की आवश्यकता हो सकती है।

वास्तविक धारा बैटरी प्रणाली की परिचालन स्थिति, नियंत्रण रणनीति, शाखा प्रतिबाधा और अन्य प्रणाली स्थितियों पर निर्भर करेगी। हालाँकि, यह उदाहरण एक महत्वपूर्ण बिंदु को स्पष्ट करता है:

किसी कॉमन बस सेक्शन की करंट रेटिंग को केवल एक बैटरी ब्रांच की रेटिंग से निर्धारित नहीं किया जा सकता है।

बस के अलग-अलग हिस्सों में अलग-अलग धाराएं भी प्रवाहित हो सकती हैं।

एक ब्रांच कनेक्शन केवल एक बैटरी सिस्टम से संबंधित करंट ले जा सकता है, जबकि पीसीएस के निकट स्थित मुख्य बस सेक्शन कई ब्रांचों के संयुक्त करंट को ले जा सकता है।

इससे एक ही डीसी बस के भीतर विभिन्न बिंदुओं पर अलग-अलग विद्युत आवश्यकताएं उत्पन्न होती हैं।

डीसी बस पर धारा का वितरण

BESS DC बस डिजाइन में करंट वितरण एक प्रमुख विचारणीय बिंदु है।

आदर्श रूप से, बैटरी की समानांतर शाखाओं को नियंत्रित और अनुमानित तरीके से करंट साझा करना चाहिए।

व्यवहार में, वर्तमान शेयरिंग निम्नलिखित कारकों से प्रभावित हो सकती है:

• केबल या बसबार प्रतिरोध
• कनेक्शन प्रतिरोध
• शाखा की लंबाई
• संपर्क प्रतिरोध
• बैटरी वोल्टेज अंतर
• परिचालन तापमान
• एसओसी अंतर
• विद्युत प्रतिबाधा
• नियंत्रण व्यवहार

यदि एक शाखा की विद्युत प्रतिबाधा दूसरी शाखा की तुलना में कम है, तो वह धारा का अधिक भाग वहन कर सकती है।

इससे असमान तापीय भार उत्पन्न हो सकता है और कुछ शाखाएँ अपनी अधिकतम सीमा के करीब काम कर सकती हैं जबकि अन्य शाखाओं पर भार कम हो सकता है।

इसलिए डीसी बस लेआउट को कुल करंट से कहीं अधिक बातों को ध्यान में रखना होगा।

शाखाओं के कनेक्शनों की भौतिक व्यवस्था, कंडक्टर की लंबाई और कनेक्शन बिंदु भी इस बात को प्रभावित कर सकते हैं कि करंट कैसे वितरित होता है।

बस विभाजन और कनेक्शन बिंदु

जैसे-जैसे BESS सिस्टम बड़े होते जाते हैं, एक एकल निर्बाध DC बस हमेशा सबसे व्यावहारिक व्यवस्था नहीं रह जाती है।

बस सेगमेंटेशन सिस्टम के भीतर स्पष्ट रूप से परिभाषित विद्युत खंड प्रदान कर सकता है।

आर्किटेक्चर के आधार पर, एक खंडित बस इंजीनियरों को निम्नलिखित को अलग करने की अनुमति दे सकती है:

• बैटरी शाखा समूह
• पीसीएस कनेक्शन अनुभाग
• रखरखाव क्षेत्र
• सुरक्षा क्षेत्र
• अलगाव बिंदु

इससे सिस्टम में कई बैटरी शाखाएं होने पर विद्युत संरचना का प्रबंधन करना आसान हो सकता है।

उदाहरण के लिए, यदि रखरखाव के लिए बैटरी की किसी विशेष शाखा को अलग करने की आवश्यकता है, तो विद्युत डिजाइन को इस प्रकार से बनाया जाना चाहिए कि उस शाखा को बीईएसएसएस के अन्य भागों को अनावश्यक रूप से बाधित किए बिना डिस्कनेक्ट किया जा सके।

सटीक व्यवस्था सिस्टम आर्किटेक्चर और परिचालन आवश्यकताओं पर निर्भर करती है, लेकिन स्केलेबल डीसी पावर पाथ को डिजाइन करते समय स्पष्ट रूप से परिभाषित कनेक्शन और आइसोलेशन पॉइंट महत्वपूर्ण होते हैं।

डीसी बस के साथ वोल्टेज ड्रॉप का प्रबंधन

धारा और चालक की लंबाई बढ़ने के साथ वोल्टेज में कमी का महत्व बढ़ता जाता है।

एक सरलीकृत संबंध इस प्रकार है:

Vdrop = I × R

जहां I चालक में प्रवाहित होने वाली धारा है और R उसका विद्युत प्रतिरोध है।

एक बीईएस में, प्रतिरोध चालक सामग्री, अनुप्रस्थ काट क्षेत्रफल, लंबाई, कनेक्शन बिंदुओं और तापमान से प्रभावित होता है।

इसलिए, उच्च-धारा वाले डीसी बस को विद्युत प्रदर्शन, भौतिक आयाम, तापीय व्यवहार और स्थापना आवश्यकताओं के बीच उचित संतुलन बनाए रखने की आवश्यकता होती है।

वोल्टेज में गिरावट का असर केवल मुख्य बस पर ही नहीं पड़ता।

बैटरी की अलग-अलग शाखाओं और कॉमन बस के बीच के कनेक्शन भी पीसीएस द्वारा देखे जाने वाले कुल वोल्टेज अंतर में योगदान कर सकते हैं।

एकाधिक समानांतर शाखाओं वाली प्रणाली के लिए, डिज़ाइन में मुख्य बस का अलग से मूल्यांकन करने के बजाय संपूर्ण डीसी पथ पर विचार किया जाना चाहिए।

डीसी बस और पीसीएस इंटरफ़ेस

डीसी बस और पीसीएस के बीच का कनेक्शन बीएसईएस पावर पाथ में सबसे महत्वपूर्ण बिंदुओं में से एक है।

पीसीएस को एक निर्धारित डीसी वोल्टेज और करंट रेंज के भीतर काम करना होता है। साथ ही, चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान बैटरी सिस्टम का वोल्टेज बदलता रहता है।

इसका अर्थ यह है कि डीसी बस और उससे जुड़े विद्युत कनेक्शनों को केवल नाममात्र वोल्टेज मान पर निर्भर रहने के बजाय बैटरी सिस्टम की वास्तविक परिचालन सीमा को समायोजित करने की आवश्यकता है।

पीसीएस इंटरफेस को द्विदिशीय विद्युत प्रवाह का समर्थन करने की भी आवश्यकता है।

डिस्चार्ज के दौरान:

बैटरी → डीसी बस → पीसीएस → एसी आउटपुट

चार्जिंग के दौरान:

एसी इनपुट → पीसीएस → डीसी बस → बैटरी

इसलिए, संबंधित परिचालन स्थितियों के तहत बस को दोनों दिशाओं में धारा प्रवाहित करने में सक्षम होना चाहिए।

यह एक साधारण एक-दिशात्मक डीसी आपूर्ति पथ को डिजाइन करने से अलग है।

डीसी बस के आसपास सुरक्षा क्षेत्र

डीसी बस इस बात को भी प्रभावित करती है कि बीईएसएसएस के भीतर सुरक्षा की व्यवस्था कैसे की जाती है।

सुरक्षा व्यवस्था को सिस्टम की भौतिक और विद्युत संरचना के साथ समन्वित किया जाना चाहिए।

बैटरी शाखा को उसके कनेक्शन बिंदु के निकट सुरक्षा की आवश्यकता हो सकती है, जबकि कॉमन बस और पीसीएस इंटरफेस के लिए अलग-अलग सुरक्षा आवश्यकताएं हो सकती हैं।

इससे संपूर्ण डीसी पक्ष को एक ही विद्युत खंड के रूप में मानने के बजाय कई सुरक्षा क्षेत्र बनते हैं।

डिजाइन में निम्नलिखित बातों का ध्यान रखना आवश्यक हो सकता है:

• बैटरी की अलग-अलग शाखाओं से दोष धारा का योगदान
• कॉमन डीसी बस पर फॉल्ट करंट
• सुरक्षा उपकरणों का स्थान
• शाखाओं के बीच अलगाव
• सुरक्षा समन्वय
• डीसी व्यवधान आवश्यकताएँ
• त्रुटि निवारण समय

इसका उद्देश्य केवल सिस्टम में सुरक्षा उपकरण जोड़ना नहीं है।

सुरक्षा व्यवस्था डीसी आर्किटेक्चर द्वारा निर्मित वास्तविक करंट पथों और फॉल्ट सीमाओं के अनुरूप होनी चाहिए।

यह तब और भी महत्वपूर्ण हो जाता है जब बैटरी की कई शाखाएं एक ही बस से जुड़ी होती हैं।

डीसी साइड पर स्विचिंग और आइसोलेशन

एक स्केलेबल बीईएस को बैटरी पावर पाथ को जोड़ने और डिस्कनेक्ट करने के लिए नियंत्रित तरीकों की आवश्यकता होती है।

सामान्य संचालन, रखरखाव और दोष निवारण में सहायता के लिए परिभाषित बिंदुओं पर स्विचिंग उपकरणों का उपयोग किया जा सकता है।

उदाहरण के लिए, बैटरी की एक शाखा को विद्युत रूप से पृथक रखने की आवश्यकता हो सकती है जबकि दूसरी शाखा काम करती रहे।

स्विचिंग की आवश्यकताएं डिवाइस के स्थान और उसके परिचालन कार्य पर निर्भर करती हैं।

बैटरी शाखा के नियंत्रित कनेक्शन के लिए उपयोग किए जाने वाले उपकरण को मुख्य डीसी पावर पथ में उपयोग किए जाने वाले उपकरण से भिन्न परिस्थितियों का सामना करना पड़ सकता है।

इसी कारणवश, स्विचिंग घटकों को स्वतंत्र हार्डवेयर विकल्पों के बजाय समग्र डीसी बस आर्किटेक्चर के हिस्से के रूप में माना जाना चाहिए।

वोल्टेज, करंट, लोड की विशेषताएं और स्विचिंग फ्रीक्वेंसी, ये सभी वास्तविक अनुप्रयोग से मेल खाने चाहिए।

उच्च-धारा बस अनुभागों के लिए तापीय विचार

डीसी बस में विद्युत हानि से ऊष्मा उत्पन्न होती है।

जैसे-जैसे धारा बढ़ती है, प्रतिरोधक हानियाँ तेजी से महत्वपूर्ण होती जाती हैं:

P = I²R

इसका अर्थ यह है कि जब प्रतिरोध स्थिर रहता है, तो धारा में अपेक्षाकृत थोड़ी सी वृद्धि से प्रतिरोधक हानि में अधिक वृद्धि हो सकती है।

उच्च-शक्ति वाले BESS अनुप्रयोगों के लिए, थर्मल डिज़ाइन में न केवल मुख्य बस कंडक्टर बल्कि कनेक्शन बिंदु और इंटरफेस भी शामिल होने चाहिए।

जिन क्षेत्रों पर ध्यान देने की आवश्यकता है उनमें शामिल हैं:

• बसबार या कंडक्टर का अनुप्रस्थ काट
• कनेक्शन प्रतिरोध
• टर्मिनल तापमान
• संलग्नक वायु प्रवाह
• परिवेश का तापमान
• निरंतर परिचालन धारा
• चरम धारा
• जोड़ों पर तापमान में वृद्धि

कनेक्शन बिंदु विशेष रूप से महत्वपूर्ण हो सकते हैं क्योंकि संपर्क प्रतिरोध में थोड़ी सी वृद्धि उच्च धारा के तहत अतिरिक्त स्थानीय ताप उत्पन्न कर सकती है।

इसलिए डीसी बस का मूल्यांकन केवल एक चालक पदार्थ के टुकड़े के रूप में नहीं, बल्कि एक संपूर्ण धारा पथ के रूप में किया जाना चाहिए।

मॉड्यूलर BESS विस्तार के लिए डिजाइन करना

BESS सिस्टम डिजाइन में मॉड्यूलरिटी का महत्व लगातार बढ़ता जा रहा है।

मॉड्यूलर आर्किटेक्चर पूरे सिस्टम को फिर से डिजाइन किए बिना अतिरिक्त बैटरी क्षमता या बिजली रूपांतरण क्षमता को एकीकृत करने की अनुमति दे सकता है।

डीसी बस को शुरू से ही इस संभावना को ध्यान में रखना होगा।

स्केलेबल डिज़ाइन निम्नलिखित को परिभाषित कर सकता है:

• आरक्षित कनेक्शन बिंदु
• अतिरिक्त शाखाओं के लिए बस क्षमता
• अलगाव सीमाएँ
• सुरक्षा क्षेत्र
• पीसीएस इंटरफ़ेस क्षमता
• भविष्य के संबंधों के लिए भौतिक स्थान

इसका मतलब यह नहीं है कि हर सिस्टम को भविष्य में विस्तार के लिए डिजाइन किया जाना चाहिए।

हालांकि, जब विस्तार परियोजना की आवश्यकताओं का हिस्सा हो, तो मुख्य विद्युत संरचना तय हो जाने के बाद डीसी बस को जोड़ने के बजाय, इस पर शुरू में ही विचार किया जाना चाहिए।

BESS DC बस को डिजाइन करते समय इंजीनियरों को किन बातों की जांच करनी चाहिए

प्रमुख डिजाइन संबंधी प्रश्नों को कई क्षेत्रों में समूहित किया जा सकता है।

इन सभी कारकों का एक साथ मूल्यांकन किया जाना चाहिए।

उदाहरण के लिए, बैटरी शाखाओं की संख्या बढ़ाने से न केवल कुल करंट प्रभावित होता है, बल्कि बस संरचना, सुरक्षा क्षेत्र, थर्मल लोडिंग और कनेक्शन और आइसोलेशन बिंदुओं की संख्या भी प्रभावित होती है।

BESS DC पावर फ्लो का सिस्टम-स्तरीय दृश्य

डीसी बस को कभी-कभी बैटरी और पीसीएस के बीच एक साधारण कनेक्शन के रूप में माना जाता है।

सिस्टम की उच्च शक्ति स्तरों पर, वह दृष्टिकोण अब पर्याप्त नहीं रह जाता है।

बस यह निर्धारित करती है कि बैटरी की कई शाखाएं कैसे एक साथ आती हैं, करंट कैसे वितरित होता है, विद्युत अनुभागों को कहां अलग किया जा सकता है और बैटरी वाला हिस्सा पीसीएस के साथ कैसे इंटरफेस करता है।

इसलिए एक अच्छी तरह से डिजाइन की गई डीसी बस को चार बुनियादी आवश्यकताओं का समर्थन करना चाहिए:

नियंत्रित विद्युत प्रवाह
चार्जिंग और डिस्चार्जिंग दोनों स्थितियों में बैटरी शाखाओं और पीसीएस के बीच बिजली का प्रवाह कुशलतापूर्वक होना चाहिए।

पूर्वानुमानित वर्तमान वितरण
समानांतर शाखाओं को उनकी निर्धारित विद्युत और तापीय सीमाओं के भीतर ही कार्य करना चाहिए।

परिभाषित सुरक्षा और अलगाव
स्पष्ट रूप से परिभाषित विद्युत अनुभागों के भीतर दोषों और रखरखाव गतिविधियों का प्रबंधन किया जाना चाहिए।

स्केलेबल सिस्टम आर्किटेक्चर
बस संरचना मौजूदा सिस्टम कॉन्फ़िगरेशन से मेल खानी चाहिए और जहां आवश्यक हो, व्यावहारिक विस्तार की अनुमति देनी चाहिए।

जैसे-जैसे बैटरी सिस्टम में अधिक समानांतर शाखाओं और उच्च शक्ति स्तरों का उपयोग होता है, BESS डिजाइनरों के लिए ये विचार और भी महत्वपूर्ण होते जाते हैं।

डीसी बस केवल दो प्रमुख घटकों के बीच का प्रवाहकीय पथ नहीं है। यह सिस्टम आर्किटेक्चर का वह हिस्सा है जो बैटरी पावर, सुरक्षा, स्विचिंग और पावर रूपांतरण को एक नियंत्रित विद्युत पथ में जोड़ता है।