معماری سیستم های ذخیره انرژی باتری

قبل از بحث در مورد معماری سیستم ذخیره انرژی باتری (BESS) و انواع باتری، ابتدا باید روی رایج ترین اصطلاحات مورد استفاده در این زمینه تمرکز کنیم. چندین پارامتر مهم رفتار سیستم های ذخیره انرژی باتری را توصیف می کنند.

ظرفیت [آه]: حداکثر بار الکتریکی که سیستم قادر است با ولتاژ مناسب به بار متصل وارد کند. فناوری باتری تأثیر قابل توجهی بر این پارامتر دارد که مقدار آن برای جریان تخلیه و دمای خاصی تنظیم شده است.

انرژی اسمی [Wh]:این کل انرژی تولید شده بین حالت های شارژ کامل و تخلیه کامل است. معادل ولتاژ باتری برابر ظرفیت است. دما و جریان نیز تأثیر دارند، زیرا ظرفیت آن را تعیین می کند.

توان [W]:تعریف توان خروجی BESS دشوار است زیرا به بار متصل متکی است. با این وجود، توان اسمی نشان دهنده توان در معمولی ترین سناریوی تخلیه است.

انرژی ویژه [Wh/kg]:این نشان دهنده ظرفیت ذخیره انرژی باتری نسبت به جرم است.

مقیاسی که برای تعیین مدت زمان شارژ و دشارژ استفاده می شود، نامیده می شوددرجه C. جریان تخلیه باتری را در یک ساعت در دمای 1C به طور کامل تخلیه می کند.

شارژ / تخلیه / شارژ استچرخه. هیچ تعریف توافق شده ای از چیستی چرخه وجود ندارد.

یک باتریعمر چرخهتعداد کل چرخه هایی است که می تواند تولید کند.

وزارت دفاع: عمق تخلیه تخلیه کامل 100٪ است.

وضعیت شارژ (SoC،%):میزان شارژ باتری با این عدد نشان داده می شود.

عبارت "راندمان کولمبی"به توانایی باتری در انتقال کارآمد شارژ اشاره دارد. نسبت شارژ مورد نیاز برای بازگشت به حالت اولیه شارژ به مقدار شارژ (Ah) آزاد شده در مرحله تخلیه است. به استثنای فناوری سرب-اسید، بیشتر معمولی‌ها باتری ها بازدهی قابل مقایسه با این دارند.

انواع اصلی سیستم های ذخیره سازی انرژی الکتروشیمیایی
سیستم های باتری متعددی وجود دارد که هر کدام بر اساس ترکیبی منحصر به فرد از اجزای شیمیایی و فرآیندها هستند. باتری های سرب اسید و لیتیوم یون در حال حاضر پرمصرف ترین نوع هستند، اما باتری های جریان دار، نیکل و گوگردی نیز در این بازار جای دارند. ما به سرعت مزایای کلیدی محبوب ترین فناوری های باتری را مرور خواهیم کرد.

ما از این باتری ها به طور منظم استفاده می کنیم. سلول پایه این باتری از یک الکترود بی اکسید یا سرب مثبت و یک الکترود سرب منفی تشکیل شده است. الکترولیت محلول اسید سولفوریک در آب است.

مزایای اصلی این باتری ها مقرون به صرفه بودن و وضعیت فناوری پیشرفته آنها است.

Pro and cons of lead-acid batteries. Source Battery University

باتری های نیکل کادمیوم (Ni-Cd).
قبل از اینکه فناوری باتری لیتیومی به طور گسترده مورد استفاده قرار گیرد، این نوع باتری برای چندین سال به عنوان منبع تغذیه اولیه برای دستگاه های قابل حمل خدمت می کرد.
این باتری ها توان خروجی بالا و زمان شارژ سریع را ارائه می دهند.

Pro and cons of Nickel-Cadmium batteries. Source Battery University

پیشرفت در این باتری ها با فناوری نیکل-فلز-هیدرید (NiMH) نشان داده شده است که می تواند حدود 40 درصد انرژی ویژه بالاتر از NiCd استاندارد ارائه دهد.

باتری های لیتیوم یونی (Li-Ion).
در بین تمام فلزات، لیتیوم دارای بالاترین انرژی ویژه و سبک ترین است. باتری های قابل شارژ آند لیتیوم فلزی ظرفیت ارائه چگالی انرژی فوق العاده بالایی را دارند.

محدودیت های دیگری نیز وجود دارد. به عنوان مثال، ایجاد دندریت بر روی آند در طول دوچرخه سواری یک محدودیت مناسب است. ممکن است منجر به قطع برق شود که می تواند دما را افزایش دهد و به باتری آسیب برساند.

Pros and cons of Lithium batteries. Source Battery University.

ترکیب یک BESS
سطوح مختلف، هم منطقی و هم فیزیکی، BESS را تشکیل می دهند. هر بخش فیزیکی منحصر به فرد نیاز به سیستم کنترل خود دارد.
در اینجا خلاصه ای از این مراحل کلیدی آورده شده است:

سیستم باتری از بسته های باتری مختلف و باتری های متعددی تشکیل شده است که به منظور دستیابی به سطوح ولتاژ و جریان مورد نظر به یکدیگر متصل می شوند.

سیستم مدیریت باتری عملکرد مناسب هر سلول را تنظیم می کند تا سیستم را قادر سازد در محدوده ولتاژ، جریان و دمایی کار کند که برای سلامت عالی باتری ها به جای سیستم به عنوان یک کل ایمن است. علاوه بر این، وضعیت شارژ در هر سلول با انجام این کار تنظیم و متعادل می شود.

برای تبدیل برق به AC، اینورترها به سیستم باتری متصل می شوند. یک سطح الکترونیکی توان تخصصی به نام PCS (سیستم تبدیل توان) در هر BESS وجود دارد. معمولاً در یک واحد تبدیل همراه با تمام خدمات کمکی مورد نیاز برای نظارت مناسب گروه بندی می شود.

نظارت و کنترل سیستم و جریان انرژی (سیستم مدیریت انرژی) مراحل زیر است. سیستم کنترل نظارتی و جمع آوری داده ها یا سیستم اسکادا اغلب شامل عملکردهای نظارت و کنترل عمومی است. از سوی دیگر، سیستم مدیریت انرژی به طور خاص برای نظارت بر جریان برق مطابق با الزامات برنامه طراحی شده است.

اتصال ترانسفورماتور ولتاژ متوسط/ولتاژ پایین و بر اساس اندازه سیستم، ترانسفورماتور فشار قوی/ولتاژ متوسط در یک پست اختصاصی آخرین اتصالات هستند.

An example of BESS architecture. Source Handbook on Battery Energy Storage System

An example of BESS components - source Handbook for Energy Storage Systems

ماژول PV و ادغام BESS
همانطور که در قسمت اول این مجموعه بحث شد، منابع انرژی تجدید پذیر در آینده تاثیر قابل توجهی بر سیستم های الکتریکی خواهند داشت. هم سیستم الکتریکی و هم نیروگاه تجدیدپذیر ممکن است از ادغام BESS با یک منبع انرژی تجدیدپذیر بهره مند شوند.

موارد زیر راه های مختلفی را توضیح می دهد که BESS می تواند به یک نیروگاه کمک کند:

به منظور دستیابی به منحنی تولید پایدارتر و قابل پیش بینی تر، این امر "نوسان" پروفایل تولید را در زیر پوشش ابری یا افزایش ناگهانی قدرت جبران می کند. تضاد بین منحنی تولید یک نیروگاه PV در یک روز ابری و منحنی با آسمان صاف در شکل 4 نشان داده شده است. این نسل با ادغام یک BESS، "سوسو زدن" کمتری را نشان می دهد و منحنی منظم تری را ایجاد می کند.

PV Generation profile in cloud days and clear sky day. Image courtesy of Enel Green Power

منحنی نسل در نتیجه تراشیدن اوج "صاف" خواهد شد (برای اطلاعات بیشتر در مورد پیک اصلاح، مقاله قبلی را بخوانید).

با توجه به پشتیبانی شبکه و خدمات جانبی، BESS می تواند با ارائه تنظیم فرکانس و مدیریت ولتاژ (همراه با جبران توان راکتیو) با تأثیر بسیار کمتری بر سیستم الکتریکی، نقش مهمی در ادغام نیروگاه در شبکه برق داشته باشد.

جدا از خدمات فوق الذکر، همکاری های بالقوه بیشتری بین ماژول های فتوولتائیک و سیستم های ذخیره انرژی باتری وجود دارد که با تبادل نقطه اتصال (POC) آغاز می شود. از آنجایی که یک BESS اغلب برای "تکمیل" ماژول PV نصب می شود، وجود آن نمی تواند نیاز به برق اضافی در POC داشته باشد.

همکاری‌های بالقوه اضافی از تصمیمات اتخاذ شده در معماری نحوه اتصال ماژول‌های PV به BESS ناشی می‌شود. حداقل سه گزینه اصلی وجود دارد:

کوپلینگ DC: در این گزینه از یک مبدل DC/DC خاص برای اتصال BESS و PV در سمت DC باتری ها و ماژول های PV به منظور تثبیت ولتاژ استفاده می شود. با این روش، تمام سمت AC نیروگاه، اینورترها را بین ماژول PV و BESS به اشتراک می‌گذارد (اینورتر در این سناریو می‌تواند در هر 4 ربع نمودار PQ کار کند). این انتخاب برای منازل مسکونی کاملاً رایج است. برنامه های کاربردی، یا در مورد یک کارخانه کوچک (کیلووات). در مورد یک کارخانه در مقیاس بزرگ، BESS در طول مزرعه توزیع خواهد شد. با این حال، برای کنترل ولتاژ DC و شارژ هر بسته باتری، منطق خاص و گران قیمتی نیاز دارد.

کوپلینگ AC بعد از اینورتر: این روش با روش قبلی قابل مقایسه است، اما نقطه جفت ماژول BESS و PV را بعد از اینورترها قرار می دهد. در این مثال، BESS و ماژول PV هر کدام اینورتر اختصاصی خود را دارند. از آنجایی که نیازی به منطق کنترل اضافی برای کوپلینگ DC وجود ندارد، این روش برای کاربردهای مسکونی نیز محبوب است و می تواند در کارخانه های بزرگ برای ایجاد یک BESS توزیع شده استفاده شود.

کوپلینگ AC در POC:در این راه حل، ماژول PV و BESS تنها امکانات اتصال را به اشتراک می گذارند، در حالی که آنها دارای بخش های کاملاً مجزا در سطح کارخانه هستند.