SiC i energilagringssystemer

Batterier kan brukes til å lagre energien som produseres fra fornybare kilder, slik som sol og vind, i de mest aktive periodene, slik at den kan brukes når miljøforholdene er mindre gunstige for energiproduksjon. Denne artikkelen gjennomgår topologier for private og kommersielle batteribaserte energilagringssystemer (BESS), før den presenterer EliteSiC-løsninger fra onsemi som kan forbedre ytelsen til BESS som erstatning for silisium MOSFET- eller IGBT-svitsjer.

Fordeler med BESS

De fire mest brukte metodene for energilagring er elektrokjemiske, kjemiske, termiske og mekaniske. Litium-ion-batterier, det mest gjenkjennelige elektrokjemiske lagringssystemet, viser høy effekttetthet og effektivitet, kompakte formfaktorer og modularitet. I tillegg er Li-ion en moden batteriteknologi som gjør den pålitelig og rimelig. Den stadig fallende prisen på Li-ion-batterier bidrar til økende bruk i energilagringssystemer. Bruk av solcelle- omformersystemer på eller utenfor nettet sammen med batterilagring gir mange fordeler for private og kommersielle brukere, inkludert:

• Pris: Lagring av energi reduserer elektrisitetskostnadene når prisen fra kraftleverandørene er høyere.
• Selvforsyning: Lagring av energi reduserer (eller eliminerer) avhengighet av kraftnettet.
• Reservekraftkilde: Lagret elektrisitet tilbyr et alternativ i tilfelle av en svikt i kraftforsyningen.

De viktigste byggestenene i BESS

Et BESS inkluderer vanligvis fire hoveddeler:

• Oppladbar batterimodul: Denne omfatter rackmonterte battericeller med nominell spenning fra 50 V til over 1000 V.
• Batteristyringssystem (BMS): BMS beskytter og administrerer oppladbare batterier, og sikrer at de fungerer innenfor trygge driftsparametere.
• Kraftomformingssystem (PCS): PCS forbinder batteripakken med kraftnettet og lasten, og er en betydelig faktor når det gjelder kostnad, størrelse og totalytelse for et BESS.
• Energistyringssystem (EMS): Denne programvaren overvåker, styrer og optimaliserer produksjons- eller overføringssystemet.

BESS i boliger

Kraftomformingssystemer som brukes med BESS er kategorisert etter hvordan de kobler energi (AC eller DC) og også etter effektnivå (privat eller kommersielt). Et DC-koblet system, eller hybrid vekselretter (inverter), krever bare ett effektomformingstrinn. Men mens AC-koblet energilagring er en enkel oppgradering for eksisterende sol- eller vindgenererende systemer, krever det et ekstra kraftomformingstrinn for å lade og utlade batteriet, og derfor kan mer effekt potensielt gå tapt. For eksempel kan et kraftomformingssystem for boliger legges til et eksisterende solcelleinvertersystem for å tillate generert energi å bli brukt til å lade et reservebatteri eller drive husholdningsapparater.

Buck-boost

En toveis DC-DC-omformer kobler sammen en batteripakke og DC-linken. Busspenningen til et enfasesystem er vanligvis mindre enn 600 V mens lade- og utladningseffekten ikke overstiger 10 kW. Her er en buck-boost-omformer den vanligste toveis DC-DC-topologien fordi den krever færre komponenter og er enkel å styre. To 650 V IGBTer eller MOSFETer med parallelle dioder er tilstrekkelig i et toveis system av denne typen. For eksempel tilbyr onsemis FGH4L75T65MQDC50 650 V FS4 IGBT med integrert SiC-diode lave lednings- og svitsjetap i denne applikasjonen.

Isolering

Isolering kan sikre tryggheten for BESS-brukere, og den doble aktive broomformeren (DAB) eller CLLC- topologiene tilbyr isolerte toveis DC-DC omformerløsninger for BESS. En kaskadekoblet front-end buck-boost-krets kan levere et bredere spekter av inngangs- og utgangsspenninger i tilfelle en betydelig variasjon i batterispenningen. Denne tilnærmingen reduserer også mengden reaktiv effekt og øker størrelsen på den myke svitsjesonen. NTP5D0N15MC 150 V N-Channel Shield Gate PowerTrench MOSFET er ideell for disse topologiene.

Trefase

Trefase er standard strømforsyning i nærings- og forretningslokaler og boliger med høyere strømbehov. Kraftsvitsjer i trefaseapplikasjoner må tåle driftsspenning og strømmer som skal kunne levere opptil 15 kW, og en høyere DC-link-spenning enn boliginstallasjoner (opptil 1000 V). Dette kan implementeres ved å erstatte de 650 V svitsjene som tidligere ble vurdert, med 1200 V komponenter, potensielt som en del av en tre-nivås symmetrisk buck-boost-topologi. Dette gir lavere koblingstap da bare halvparten av utgangsspenningen opptrer ved svitsjene og diodene. Dette har også fordelen ved å kreve mindre induktorer og utvise forbedret EMI-ytelse. Dessverre krever denne tilnærmingen flere komponenter, noe som øker designkompleksiteten, styre- og systemkostnader.

Kommersiell BESS

Inngangs- og utgangseffekter for et kommersielt energilagringssystem ligger typisk mellom 100 kW og 2 MW. Disse store installasjonene kan bestå av flere trefasede delsystemer som strekker seg fra titalls kilowatt til over 100 kW. Her er den maksimale likespenningen, som avhenger av busspenningen til det eksisterende solcellesystemet eller batterispenningen, en kritisk spesifikasjon. DC-busspenningen til standard kommersielle solcelle-omformere er typisk 1100 V, men kan være opptil 1500 V i et system i kraftforsyningsskala. For et gitt effektnivå reduserer økning av DC-busspenningen strømmen og reduserer derfor kostnaden for sammenkoblingskabelen.

650 V svitsjer tilstrekkelig?

AC-koblede systemer er mer vanlig brukt i kommersielle BESS fordi de enkelt kan legges til et eksisterende design, mens DC-koblede systemer har relativt høye krav til elektrisk ettermontering spesielt for kommersielle tilfeller, fordi de må kobles til DC-buss, som vanligvis er inne i det originale systemet og har høy spenning og strøm. Tre-nivå I-NPC er en topologi som vanligvis brukes med omformere i industrielle applikasjoner med høy effekt. Denne har fire brytere, fire inverse dioder og to klemdioder med en bruddspenning som er lavere enn den faktiske DC-link-spenningen, noe som betyr at 650 V svitsjer er tilstrekkelig i et 1100 V system.

Fordeler

Det er flere fordeler med å bruke tre-nivå topologier. For det første har de lavere koblingstap (proporsjonal med kvadratet på spenningen som påføres brytere og dioder). For det andre utviser de lavere strømrippel, og topp-til-topp-spenningen er halvparten av den totale utgangen, noe som gjør det lettere å filtrere ved å bruke en mindre, rimeligere induktor. Til slutt reduseres ledningsbasert EMI knyttet til den nåværende rippelen, og det samme gjelder utstrålt støy. Oppgradering til en A-NPC-topologi gir enda bedre ytelse fordi den erstatter to klemdioder med to aktive svitsjer med lavere tap. For dette arrangementet er imidlertid driverparing og forsinkelsesmatching avgjørende, noe som kan være en ulempe i enkelte applikasjoner.

SiC-løsninger forbedrer BESS-ytelsen

SiC tilbyr overlegne ytelsesegenskaper – som bredere båndgap, høyere bruddfeltstyrke og høyere termisk ledningsevne – enn silisium. Disse funksjonene gjør det mulig for SiC-komponenter å operere ved høyere frekvenser uten behov for å gå på kompromiss med effekt mot induktorstørrelse. Økt driftseffektivitet ved bruk av SiC kan også tillate naturlig kjøling i stedet for tvungen luftstrøm i enkelte situasjoner. De 650 V NTH4L015N065SC1 og NTBL045N065SC1 EliteSiC MOSFETene fra onsemi er utmerkede valg for å erstatte silisiumbaserte svitsjer i energilagringssystemer, mens bruk av de 1200 V NXH40B120MNQ0 dual boost og NXH010P120MNF1 2-Pack half-bridge, EliteSiC integrerte kraftmoduler kan levere enda høyere effekt tetthet i systemer av kraftforsyningsskala. onsemi tilbyr også flere andre komponenter, inkludert gate-drivere, strømsensorforsterkere og MACPHY ethernet-kontrollere, som kan brukes i BESS-applikasjoner.