Az akkumulátoros energiatároló rendszerek teljesítménynövelése szilícium-karbiddal (SiC)
Az akkumulátorok a megújuló forrásokból, például a nap- és szélerőművekből csúcsidőben termelt energia tárolására használhatók, és lehetővé teszik, hogy az energia akkor is felhasználható legyen, amikor a környezeti feltételek kevésbé kedvezőek az energiatermeléshez. Cikkünk áttekinti a lakossági és kereskedelmi célú akkumulátoros energiatároló rendszerek (BESS – battery energy storage systems) topológiáit, majd bemutatja az onsemi EliteSiC megoldásait, amelyek a szilícium MOSFET vagy IGBT kapcsolók helyettesítéseként javíthatják a BESS teljesítményét.
A BESS előnyei
A négy leggyakrabban alkalmazott energiatárolási módszer az elektrokémiai, a kémiai, a termikus és a mechanikai. A lítiumion-akkumulátorok a legismertebb elektrokémiai tárolóegységek, amelyekre a nagy teljesítménysűrűség és hatékonyság jellemző, formájuk kompakt, kialakításuk moduláris. Emellett a Li-ion egy kiforrott, megbízható és olcsó akkumulátortechnológia. A Li-ion akkumulátorok folyamatosan csökkenő ára hozzájárul az energiatároló rendszerekben való egyre szélesebb körű alkalmazásukhoz. A hálózaton belüli vagy hálózaton kívüli napelemes inverterrendszerek és az akkumulátortárolók együttes használata számos előnnyel jár a lakossági és kereskedelmi felhasználók számára, többek között az alábbi területeken:
- Költség: az energiatárolás csökkenti a villamosenergia-költségeket, amikor a közüzemi szolgáltatók által biztosított villamos energia ára magasabb.
- Önellátás: az energiatárolás csökkenti (vagy megszünteti) a hálózattól való függőséget.
- Tartalék áramforrás: a tárolt villamos energia alternatívát kínál hálózati áramkimaradás esetén.
1. ábra Egy BESS-megvalósítás áttekintése
A BESS négy fő építőeleme
- Újratölthető akkumulátormodul: ez állványra szerelt akkumulátorcellákból áll, amelyeknek névleges feszültsége 50 V-tól több mint 1000 V-ig terjedhet.
- Akkumulátorkezelő rendszer (BMS): a BMS védi és kezeli az újratölthető akkumulátorokat, garantálva, hogy azok a biztonságos működési paramétereken belül működnek.
- Teljesítményátalakító rendszer (PCS): a PCS csatlakoztatja az akkumulátorcsomagot a hálózathoz és a terheléshez, valamint jelentős tényező a BESS költsége, mérete és általános teljesítménye szempontjából.
- Energiagazdálkodási rendszerek (EMS): ez a szoftver felügyeli, vezérli és optimalizálja a termelési vagy átviteli rendszert.
Lakossági célú BESS
A BESS-szel használt energiaátalakító rendszerek az energiacsatolás módja (AC vagy DC) és a teljesítményszint (lakossági vagy kereskedelmi) szerint is kategorizálhatók. Az egyenáramra kapcsolt rendszer vagy hibrid inverter csak egy energiaátalakítási lépést igényel. A váltakozó áramra kapcsolt energiatárolás azonban könnyen bővíthető a meglévő nap- vagy szélerőművekhez, azonban az akkumulátor töltéséhez és kisütéséhez további energiaátalakítási lépésre van szükség, ezért potenciálisan több energiát veszíthetünk. Például egy meglévő napenergia-inverteres rendszerhez hozzá lehet adni egy lakossági áramátalakító rendszert, hogy a termelt energiát tartalék akkumulátor töltésére vagy háztartási készülékek működtetésére lehessen használni.
2. ábra Lakossági AC-kapcsolt (balra) és DC-kapcsolt (jobbra) ESS
Egy kétirányú DC-DC átalakító összeköti az akkumulátorcsomagot és az egyenáramú kapcsolatot. Az egyfázisú rendszer buszfeszültsége általában 600 V-nál kisebb, míg a töltési és kisütési teljesítmény nem haladja meg a 10 kW-ot. Itt a buck-boost átalakító a leggyakoribb kétirányú DC-DC topológia, mivel kevesebb alkatrészt igényel és könnyen vezérelhető. Két 650 V-os IGBT vagy MOSFET párhuzamos diódákkal megfelelő egy ilyen kétirányú rendszerben. Például az onsemi FGH4L75T65MQDC50 650 V-os FS4 IGBT integrált SiC diódával alacsony vezetési és kapcsolási veszteséget kínál ebben az alkalmazásban.
3. ábra Buck-boost a kétirányú DC-DC-hez
Az izolálás garantálhatja a BESS-felhasználók biztonságát, és a kettős aktív hídátalakító (DAB – dual active bridge) vagy a CLLC-topológiák (Capacitor-Inductor-Inductor-Capacitor) izolált, kétirányú DC-DC átalakító megoldásokat kínálnak a BESS számára. A kaszkádos front-end buck-boost áramkör az akkumulátor feszültségének jelentős változása esetén szélesebb bemeneti és kimeneti feszültségtartományt tud nyújtani. Ez a megközelítés csökkenti a reaktív teljesítmény mennyiségét is, és növeli a lágykapcsolási zóna méretét. Az NTP5D0N15MC 150 V-os N-csatornás Shield Gate PowerTrench MOSFET ideális ezekhez a topológiákhoz.
A háromfázisú áramellátás a kereskedelmi és üzleti célú létesítményekben, valamint a nagyobb energiaigényű otthonokban szabványos áramellátás. A háromfázisú alkalmazásokban a hálózati kapcsolóknak olyan üzemi feszültséget és áramot kell elviselniük, amely akár 15 kW teljesítményt és a lakossági berendezéseknél magasabb egyenáramú kapcsolási feszültséget (akár 1000 V) is képes leadni. Ez úgy valósítható meg, hogy a korábban figyelembe vett 650 V-os kapcsolókat 1200 V-os eszközökkel helyettesítjük, esetleg egy háromszintű szimmetrikus buck-boost topológia részeként. Ez alacsonyabb kapcsolási veszteségeket eredményez, mivel a kimeneti feszültségnek csak a fele jelenik meg a kapcsolókon és a diódákon. Ennek az is az előnye, hogy kisebb induktivitásokat igényel, és jobb EMI képességgel rendelkezik. Sajnos ez a megközelítés több alkatrészt igényel, ami növeli a tervezés bonyolultságát, a vezérlést és a rendszer költségeit.
Ipari és kereskedelmi célú BESS
A kereskedelmi energiatároló rendszerek bemeneti és kimeneti teljesítménytartománya jellemzően 100 kW és 2 MW között van. Ezek a nagy létesítmények több háromfázisú alrendszerből állhatnak, amelyek teljesítménye több-tíz kilowatt és több mint 100 kW között lehet. Itt a maximális egyenfeszültség – amely a meglévő napelemes rendszer buszfeszültségétől vagy az akkumulátor feszültségétől függ – a kritikus specifikáció. A szabványos kereskedelmi napelemes inverterek egyenáramú buszfeszültsége jellemzően 1100 V, de egy nagyüzemi rendszerben akár 1500 V is lehet. Adott teljesítményszint esetén az egyenáramú buszfeszültség növelése csökkenti az áramot, és ezáltal csökkenti az összekötő kábel költségét.
A váltakozó áramú rendszereket gyakrabban használják a kereskedelmi célú BESS rendszerekben, mivel könnyen hozzá lehet őket adni egy meglévő konstrukcióhoz. Az egyenáramú rendszerekkel szemben viszonylag magasak az elektromos utólagos felszereléssel kapcsolatos követelmények, különösen kereskedelmi célú esetekben, mivel az egyenáramú buszra kell csatlakozni, amely általában az eredeti rendszeren belül van, és nagy feszültséggel és árammal rendelkezik. A háromszintű I-NPC egy olyan topológia, amelyet általában inverterekkel alkalmaznak nagy teljesítményű ipari alkalmazásokban. Ez négy kapcsolóval, négy inverz diódával és két clamp-diódával rendelkezik, amelyeknek a tényleges DC-csatlakozási feszültségnél alacsonyabb a letörési feszültsége, ami azt jelenti, hogy egy 1100 V-os rendszerben elegendő a 650 V-os kapcsoló.
4. ábra Háromfázisú I-NPC topológia
A háromszintű topológiák használatának számos előnye van. Először is, alacsonyabbak a kapcsolási veszteségek (a kapcsolókra és diódákra alkalmazott feszültség négyzetével arányosak). Másodszor, kisebb áramhullámzást mutatnak, és a csúcstól-csúcsig feszültség a teljes kimenet fele, így könnyebben szűrhető kisebb, olcsóbb induktivitással. Végül pedig csökken az áramhullámzáshoz kapcsolódó vezetési EMI, valamint a kibocsátott sugárzás. Az A-NPC topológiára történő frissítés még jobb teljesítményt kínál, mivel két clamp-diódát két alacsonyabb veszteségű aktív kapcsolóval helyettesít. Ennél az elrendezésnél azonban a meghajtó párosítása és a késleltetési illesztés kritikus, ami egyes alkalmazásokban hátrányos lehet.
A SiC megoldások javítják a BESS teljesítményét
A szilicium karbid (SiC) a szilíciumnál jobb teljesítményjellemzőkkel rendelkezik – mivel szélesebb tiltott sávval, nagyobb átütési térerősséggel és nagyobb hővezető képességgel rendelkező félvezető anyag. Ezek a tulajdonságok lehetővé teszik a SiC-eszközök magasabb frekvenciákon történő működését anélkül, hogy a kimenő teljesítmény miatt a tekercsek méretével szemben kompromisszumot kellene kötni. A SiC használatával megnövelt működési hatékonyság bizonyos helyzetekben természetes hűtést is lehetővé tesz a kényszerített levegő helyett. Az onsemi 650 V-os NTH4L015N065SC1 és NTBL045N065SC1 EliteSiC MOSFET-jei kiváló választásnak bizonyulnak a szilíciumalapú kapcsolók helyettesítésére az energiatároló rendszerek alkalmazásaiban. Az 1200 V-os NXH40B120MNQ0 kettős boost és az NXH010P120MNF1 2-Pack félhíd használatával az EliteSiC integrált teljesítménymodul még nagyobb teljesítménysűrűséget tud elérni a közüzemi méretű rendszerekben. Az onsemi számos más, BESS-alkalmazásokban használható alkatrészt is kínál, többek között kapumeghajtókat, áramérzékelő erősítőket és MACPHY Ethernet-vezérlőket.
Az EBV Elektronik – mint vezető félvezető-forgalmazó Európában – széles gyártói portfóliójából a legújabb alkatrészek és félvezető-megoldások teljes és folyamatos ellátását garantálja. Vegye fel a kapcsolatot az EBV technológiai és piaci szakértőivel, hogy az alkalmazásaihoz az optimális megoldást választhassa!
Több mint disztribúció – EBV Elektronik!
Farkas Szabolcs
EBV Elektronik Kft.
1117 Budapest, Budafoki út 91–93.
E-mail:
www.ebv.com
