Проектирование шины постоянного тока для систем накопления энергии: управление потоком энергии между аккумуляторными системами и ПК.

В системе хранения энергии на основе батарей энергия не просто передается от батарейного блока непосредственно в систему хранения энергии.

Более крупная система хранения энергии на основе аккумуляторов может содержать несколько ответвлений или батарейных стоек, работающих в рамках общей электрической архитектуры. Эти ответвления должны быть соединены таким образом, чтобы обеспечить передачу энергии заряда и разряда между аккумуляторной системой и блоком управления питанием (PCS) при сохранении контролируемого распределения тока и четких электрических границ.

Именно здесь шина постоянного тока приобретает важное значение.

Шина постоянного тока обеспечивает общий электрический путь для объединения энергии от нескольких батарейных блоков и передачи этой энергии к блоку управления питанием (PCS). Во время зарядки тот же путь передает энергию в обратном направлении, от блока управления питанием к батарейной системе.

По мере увеличения мощности систем хранения энергии шина постоянного тока перестает быть просто соединением между двумя устройствами. Ее электрическая схема может влиять на распределение тока, падение напряжения, характер неисправностей, изоляцию и взаимодействие различных батарейных ветвей с системой управления питанием (PCS).

Где находится шина постоянного тока в системе накопления энергии (BESS)

Упрощенная схема передачи энергии в системе накопления энергии может быть представлена ​​следующим образом:

Аккумуляторные системы → Соединения постоянного тока → Шина постоянного тока → PCS → Система переменного тока

В случае зарядки направление обратное:

Система переменного тока → ПК → Шина постоянного тока → Аккумуляторные системы

Фактическая архитектура зависит от емкости системы, конфигурации батарей, топологии PCS и подхода к интеграции.

Система хранения энергии на основе аккумуляторов (BESS) может использовать централизованную шину постоянного тока, несколько секций шины, отдельные ветви аккумуляторов или более модульную компоновку. Цель одна и та же: обеспечить контролируемый электрический интерфейс между аккумуляторной частью и системой управления питанием (PCS).

Таким образом, шина постоянного тока находится между отдельными путями питания батарей и общим преобразовательным каскадом.

В таком положении оно выполняет несколько функций:

• Совокупное накопление тока от нескольких аккумуляторных батарей.
• Распределение зарядного тока по отдельным аккумуляторным батареям.
• Обеспечение чётко определённых точек подключения для аккумуляторных систем.
• Создание зон электрической изоляции
• Поддержка защиты на системном уровне
• Подключение цепи питания от батареи к PCS

По мере увеличения количества параллельно соединенных батарей, конструктивные особенности приобретают все большее значение.

Почему наличие нескольких аккумуляторных батарей меняет конструкцию?

В одноканальной системе электропитания путь передачи энергии относительно прост.

При параллельном соединении нескольких ветвей шина постоянного тока должна пропускать суммарный ток и обеспечивать соответствующий электрический путь для каждой ветви.

Например, если четыре аккумуляторные батареи обеспечивают ток по 250 А каждая при определенных условиях эксплуатации, то общий участок шины постоянного тока может нуждаться в передаче приблизительно 1000 А.

Фактический ток будет зависеть от рабочего состояния аккумуляторной системы, стратегии управления, импеданса ответвлений и других системных условий. Однако пример иллюстрирует важный момент:

Номинальный ток участка общей шины нельзя определить, исходя только из номинальных параметров одной аккумуляторной батареи.

В разных секциях автобуса также может протекать разный ток.

В ответвлении может проходить ток, соответствующий только одной аккумуляторной системе, в то время как в основном участке шины, расположенном ближе к блоку управления питанием (PCS), может проходить суммарный ток нескольких ответвлений.

Это приводит к различным требованиям к электропитанию в разных точках одной и той же шины постоянного тока.

Распределение тока по шине постоянного тока

Распределение тока является одним из ключевых аспектов при проектировании шин постоянного тока для систем накопления энергии (BESS).

В идеале, параллельные ветви батареи должны распределять ток контролируемым и предсказуемым образом.

На практике распределение текущих доходов может зависеть от следующих факторов:

• Сопротивление кабеля или шины
• Сопротивление соединения
• Длина ветви
• Контактное сопротивление
• Разница напряжений батареи
• Рабочая температура
• Различия SOC
• Электрическое сопротивление
• Контроль поведения

Если одна ветвь имеет меньшее электрическое сопротивление, чем другая, то по ней может проходить большая часть тока.

Это может привести к неравномерной тепловой нагрузке и вызвать работу одних ответвлений на пределе их возможностей, в то время как другие будут испытывать меньшую нагрузку.

Таким образом, при проектировании шины постоянного тока необходимо учитывать не только общий ток.

Физическое расположение ответвлений, длина проводников и точки подключения также могут влиять на распределение тока.

Сегментация автобусных маршрутов и точки соединения

По мере увеличения размеров систем хранения энергии (BESS) наличие одной непрерывной шины постоянного тока не всегда является наиболее практичным решением.

Сегментация шин позволяет создать четко определенные электрические участки внутри системы.

В зависимости от архитектуры, сегментированная шина может позволить инженерам разделить:

• группы батарейных ответвлений
• Разделы подключения ПК
• зоны технического обслуживания
• Зоны защиты
• точки изоляции

Это может упростить управление электрической архитектурой, если система содержит несколько батарейных блоков.

Например, если для проведения технического обслуживания необходимо изолировать определенную ветвь аккумуляторной батареи, электрическая схема должна позволять отключать эту ветвь без ненужного прерывания работы других частей системы хранения энергии.

Точная схема зависит от архитектуры системы и эксплуатационных требований, но четко определенные точки подключения и изоляции важны при проектировании масштабируемого тракта питания постоянного тока.

Управление падением напряжения вдоль шины постоянного тока

Падение напряжения становится все более значительным по мере увеличения силы тока и длины проводника.

Упрощенное соотношение выглядит так:

Vdrop = I × R

где I — ток, протекающий через проводник, а R — его электрическое сопротивление.

В системе накопления энергии сопротивление зависит от материала проводника, площади поперечного сечения, длины, точек подключения и температуры.

Таким образом, для сильноточной шины постоянного тока необходимо поддерживать надлежащий баланс между электрическими характеристиками, физическими размерами, тепловыми свойствами и требованиями к установке.

Падение напряжения затрагивает не только главную шину.

Соединения между отдельными аккумуляторными батареями и общей шиной также могут влиять на общую разницу напряжений, воспринимаемую системой управления питанием (PCS).

Поэтому для системы с несколькими параллельными ветвями при проектировании следует учитывать весь путь постоянного тока, а не оценивать основную шину изолированно.

Шина постоянного тока и интерфейс PCS

Соединение между шиной постоянного тока и блоком управления питанием (PCS) является одним из важнейших звеньев в цепи электропитания системы хранения энергии (BESS).

Система управления питанием (PCS) должна работать в заданном диапазоне постоянного напряжения и тока. При этом напряжение аккумуляторной системы изменяется во время зарядки и разрядки.

Это означает, что шина постоянного тока и связанные с ней электрические соединения должны учитывать фактический диапазон работы аккумуляторной системы, а не полагаться только на номинальное значение напряжения.

Интерфейс PCS также должен поддерживать двунаправленный поток энергии.

При выписке:

Батарея → Шина постоянного тока → ПК → Выход переменного тока

Во время зарядки:

Вход переменного тока → ПК → Шина постоянного тока → Батарея

Таким образом, шина должна обеспечивать ток в обоих направлениях при соответствующих условиях эксплуатации.

Это отличается от проектирования простого однонаправленного пути питания постоянным током.

Зоны защиты вокруг шины постоянного тока

Шина постоянного тока также влияет на организацию защиты внутри системы хранения энергии.

Защита должна быть согласована с физической и электрической структурой системы.

Для защиты аккумуляторной батареи вблизи точки подключения может потребоваться дополнительная защита, в то время как для общей шины и интерфейса PCS могут быть установлены иные требования к защите.

Это позволяет создать несколько зон защиты, вместо того чтобы рассматривать всю сторону постоянного тока как единый электрический участок.

При проектировании может потребоваться учесть следующее:

• Вклад тока короткого замыкания от отдельных аккумуляторных батарей
• Ток короткого замыкания на общей шине постоянного тока
• Расположение защитных устройств
• Изоляция между ветвями
• Координация защиты
• требования к прерыванию постоянного тока
• Время устранения неисправности

Цель состоит не просто в добавлении защитных устройств в систему.

Защита должна соответствовать фактическим путям распространения тока и границам повреждений, создаваемым архитектурой постоянного тока.

Это становится особенно важным, когда к одной и той же шине подключено несколько аккумуляторных батарей.

Переключение и изоляция на стороне постоянного тока

Для масштабируемой системы хранения энергии на основе батарей необходимы контролируемые способы подключения и отключения линий электропитания от батарей.

Коммутационные устройства могут использоваться в определенных точках для обеспечения нормальной работы, технического обслуживания и локализации неисправностей.

Например, может потребоваться, чтобы одна аккумуляторная ветвь оставалась электрически изолированной, в то время как другая ветвь продолжает работать.

Требования к переключению зависят от местоположения устройства и режима его работы.

Устройство, используемое для контролируемого подключения аккумуляторной батареи, может работать в условиях, отличных от условий, в которых оно используется в основной цепи питания постоянного тока.

По этой причине коммутирующие компоненты следует рассматривать как часть общей архитектуры шины постоянного тока, а не как независимые аппаратные решения.

Напряжение, ток, характеристики нагрузки и частота переключения должны соответствовать реальным условиям применения.

Тепловые аспекты сильноточных шинных секций

Электрические потери в шине постоянного тока приводят к выделению тепла.

С увеличением силы тока резистивные потери приобретают все большее значение:

P = I²R

Это означает, что относительно небольшое увеличение тока может привести к большему увеличению резистивных потерь, если сопротивление остается постоянным.

Поэтому для мощных систем хранения энергии тепловой расчет должен охватывать не только основной шинный проводник, но и точки подключения и интерфейсы.

К областям, заслуживающим внимания, относятся:

• Сечение шины или проводника
• Сопротивление соединения
• Температура на выходе
• Воздушный поток в корпусе
• Температура окружающей среды
• Постоянный рабочий ток
• Пиковый ток
• Повышение температуры в суставах

Точки соединения могут быть особенно важны, поскольку небольшое увеличение контактного сопротивления может привести к дополнительному локальному нагреву при высоком токе.

Поэтому шину постоянного тока следует рассматривать как сплошной путь протекания тока, а не просто как кусок проводящего материала.

Проектирование для расширения модульной системы хранения энергии.

Модульность приобретает все большее значение при проектировании систем хранения энергии.

Модульная архитектура позволяет интегрировать дополнительную емкость аккумуляторов или преобразователей энергии без полной переработки всей системы.

В шине постоянного тока необходимо учитывать такую ​​возможность с самого начала.

Масштабируемая конструкция может определять:

• Зарезервированные точки подключения
• Вместимость автобусов для дополнительных филиалов
• Границы изоляции
• Зоны защиты
• емкость интерфейса PCS
• Физическое пространство для будущих связей

Это не означает, что каждая система должна быть спроектирована с учетом будущего расширения.

Однако, если расширение является частью проектных требований, шину постоянного тока следует рассматривать на раннем этапе, а не добавлять после того, как основная электрическая архитектура уже определена.

Что должны проверить инженеры при проектировании шины постоянного тока для системы хранения энергии (BESS)

Ключевые вопросы проектирования можно сгруппировать в несколько областей.

Эти факторы следует оценивать в совокупности.

Например, увеличение количества ответвлений батареи влияет не только на суммарный ток, но и на структуру шин, зоны защиты, тепловую нагрузку, а также на количество точек подключения и изоляции.

Системный анализ потока мощности постоянного тока в системах накопления энергии.

Шина постоянного тока иногда рассматривается как простое соединение между батареями и блоками питания.

При более высоких уровнях мощности системы такой подход уже недостаточен.

Шина определяет, как соединяются несколько батарейных блоков, как распределяется ток, где могут быть изолированы электрические участки и как батарейная часть взаимодействует с блоком управления питанием (PCS).

Таким образом, хорошо спроектированная шина постоянного тока должна соответствовать четырём основным требованиям:

Управляемый поток мощности
Передача энергии между аккумуляторными батареями и системой управления питанием должна быть эффективной как в режиме зарядки, так и в режиме разрядки.

Предсказуемое распределение тока
Параллельные ответвления должны работать в пределах установленных электрических и тепловых ограничений.

Определенная защита и изоляция
Неисправности и работы по техническому обслуживанию должны быть выполнимы в рамках четко определенных электрических участков.

Масштабируемая системная архитектура
Структура шины должна соответствовать текущей конфигурации системы и, при необходимости, обеспечивать возможность практического расширения.

Для разработчиков систем хранения энергии эти соображения приобретают все большее значение по мере того, как в аккумуляторных системах используется все больше параллельных ответвлений и повышаются уровни мощности.

Шина постоянного тока — это не просто проводящий путь между двумя основными компонентами. Она является частью системной архитектуры, которая объединяет питание от батареи, защиту, переключение и преобразование энергии в единый управляемый электрический путь.