Архитектуры PCS для аккумуляторных систем хранения энергии (BESS) сетевого масштаба
Для BESS сетевого масштаба выбирают между централизованной, распределённой и гибридной архитектурой системы преобразования мощности (PCS), балансируя КПД преобразования, полезную энергию батарей, количество оборудования и готовность станции.
Аккумуляторные системы хранения энергии (BESS) сетевого масштаба растут по мощности и сложности эксплуатации. По мере того как проекты переходят от небольших установок к станциям мощностью в сотни мегаватт, система преобразования мощности (PCS) становится чем-то большим, чем просто инвертор между батареей и энергосетью. BESS делится на аккумуляторные стойки, шины сбора постоянного тока, блоки PCS, трансформаторы, распределительные устройства и зоны защиты, которые определяют, как мощность движется по станции и какая часть системы вынуждена вести себя как единый электрический блок.
Универсальной архитектуры PCS не существует. Есть три подхода к проектированию PCS — централизованный, распределённый и гибридный, — и у каждого свои компромиссы по потерям на преобразование, полезной энергии батарей, количеству оборудования, обслуживанию и гранулярности управления.
Как разные архитектуры PCS делят силовой блок
Электрический путь через BESS сетевого масштаба схож независимо от архитектуры PCS. Аккумуляторные ячейки группируются в модули, модули — в стойки, а эти группы батарей питают двунаправленную систему преобразования. От архитектуры к архитектуре меняется то, где эти группы батарей электрически объединяются, где начинается независимое преобразование и сколько оборудования находится за каждой общей электрической границей.
Централизованная архитектура PCS
В централизованной архитектуре PCS один крупный двунаправленный инвертор обслуживает несколько аккумуляторных стоек, подключённых к общей шине постоянного тока. Несколько стоек параллелятся через оборудование сбора постоянного тока и питают общую высоковольтную шину DC (класса 1500 В), а затем — многомегаваттный PCS.
Централизованный подход не означает, что вся станция зависит от одного инвертора. В крупных проектах BESS станция делится на несколько силовых блоков, каждый со своим центральным PCS. Такие преобразователи имеют мощность в диапазоне нескольких мегавольт-ампер, и несколько блоков работают параллельно. Архитектура концентрирует оборудование преобразования в меньшем числе мест. Например, центральный PCS может монтироваться на раме (skid) вместе с соответствующим распределительным устройством переменного тока и трансформатором среднего напряжения, а расположенные на некотором удалении аккумуляторные контейнеры подключаются к нему фидерами постоянного тока.
Поскольку многие аккумуляторные стойки делят одно соединение по постоянному току, центральный PCS должен пропускать большой ток до его преобразования в переменный. Более высокое напряжение DC снижает этот ток и связанные с ним потери мощности. Тем не менее многомегаваттные системы всё равно требуют крупных кабелей, шинопроводов, предохранителей и разъединителей на стороне постоянного тока.
Распределённая архитектура PCS
В распределённой архитектуре PCS граница преобразования расположена ближе к батарее. Станция распределяет аккумуляторные стойки между множеством меньших, независимо управляемых преобразователей. Преобразователь может обслуживать одну стойку, один аккумуляторный кластер или другое подразделение внутри контейнера. Его выход переменного тока объединяется с соседними блоками PCS на локальной низковольтной шине AC, после чего трансформатор повышает напряжение для коллектора среднего напряжения.
Это сохраняет короткими сильноточные цепи постоянного тока, поскольку преобразование DC/AC происходит ближе к батарее. Мощность затем собирается на стороне переменного тока и — после локального трансформатора — на среднем напряжении, где для передачи той же мощности в мегаваттах требуется существенно меньший ток. В одной из коммерческих реализаций 10 или 12 блоков PCS по 200 кВт упакованы в раму примерно на 2–2,4 МВт вместе с низковольтным оборудованием, средствами связи и трансформатором среднего напряжения.
Компромисс — количество оборудования: распределённая станция использует намного больше преобразователей, контроллеров, датчиков, компонентов охлаждения и интерфейсов связи, чем централизованная.
Гибридная архитектура PCS
При этом подходе группы батарей подключаются через двунаправленные DC/DC преобразователи, питающие общее звено постоянного тока и общий инвертор DC/AC. Ступень DC/DC может быть изолированной или неизолированной и рассчитанной на полную или частичную обработку мощности. Её роль — развязать рабочую точку каждой группы батарей от общего звена DC, чтобы группами можно было управлять индивидуально.
Силовой блок имеет два уровня гранулярности. Управление батареями и отдельные функции защиты можно разделить на уровне стойки или кластера, но преобразование в переменный ток, мощность трансформатора и части системы охлаждения или вспомогательных систем остаются общими. Таким образом, архитектура определяет, сколько батарей делят одну рабочую точку по постоянному току, где можно независимо управлять мощностью, на какое расстояние должен передаваться сильноточный DC и сколько оборудования сгруппировано в повторяемые силовые блоки.
Как архитектура PCS влияет на КПД и готовность
Важно отметить, что КПД PCS нельзя оценивать только по пиковому значению из даташита. Станции BESS сетевого масштаба работают при разных уровнях мощности, поэтому годовая эффективность зависит от потерь в полупроводниках, кабелях постоянного тока, трансформаторах, сборе на среднем напряжении, вспомогательных системах и потребления в дежурном режиме.
Работа при частичной нагрузке очень важна для таких услуг, как регулирование частоты или сглаживание генерации ВИЭ. Например, модульная станция может повысить взвешенный КПД, эксплуатируя меньшее число блоков PCS ближе к их эффективному диапазону нагрузки, а остальные переводя в дежурный режим с низкими потерями. Это выгодно, если время отклика и требования по поддержке энергосети позволяют отключать блоки.
Гибридные архитектуры вводят ещё один компромисс. DC/DC преобразование на уровне стойки или кластера добавляет ещё одну ступень преобразования и дополнительные потери в полупроводниках и магнитных элементах. Взамен оно даёт группам батарей управление по току или напряжению. Такая гибкость ценна, поскольку стойки расходятся по состоянию заряда, ёмкости, сопротивлению, температуре и состоянию здоровья. Когда несколько стоек привязаны к общей шине DC, их полезный рабочий диапазон может ограничиваться первой группой, достигшей предела BMS.
Готовность также требует взгляда на уровне системы. Большее число преобразователей не делает распределённую станцию менее готовой: например, станция на 100 МВт, построенная из блоков PCS по 4 МВт, может потерять 4% номинальной мощности после полного выхода из строя одного PCS. С другой стороны, отказ преобразователя на 200 кВт в более распределённой архитектуре отнимает лишь 0,2%. Практические метрики — потеря мощности, время ремонта и возможность держать незатронутые блоки в работе. Кроме того, заменяемые в полевых условиях модули, запас на объекте и резерв преобразователей N+1 могут ограничить потерю мощности при отказе оборудования. Резервирование работает только если батареи, трансформаторы и оборудование сбора позволяют аппаратуре нести нагрузку.
Сравнение ведётся между КПД преобразования, полезной энергией батарей и готовностью станции на протяжении срока службы системы. Поэтому выбор правильной архитектуры PCS для аккумуляторного хранения сетевого масштаба — задача системной оптимизации. Проект должен балансировать КПД преобразования, использование батарей, количество оборудования, размер зоны отказа, ремонтопригодность и сложность управления на протяжении всего срока службы станции.