Elsistema de conversión de energía(PCS) es la interfaz entre la batería y la red eléctrica o carga de CA. No solo determina la calidad de la energía y las características dinámicas de la salida del sistema de almacenamiento de energía de la batería, sino que también afecta significativamente la seguridad y la vida útil de la batería. Según la topología del circuito y la configuración del transformador, los tipos básicos de PCS se pueden dividir en tipo de alimentación-incremento de frecuencia-y tipo de conexión de alto-voltaje directo-, como se muestra en la figura.
Actualmente, el nivel de voltaje de los grupos de baterías convencionales no supera los 1500 V y existe un cierto rango de fluctuación según el estado de carga (SOC). Por lo tanto, para adaptarse a los requisitos de voltaje de diferentes redes eléctricas o cargas, a menudo se configura un transformador de frecuencia eléctrica en el lado de CA del PCS (Sistema de Conversión de Energía). Esto no solo logra aumentar o regular el voltaje de CA, sino que también permite la creación de un sistema trifásico de cuatro-cables en sistemas fuera-de la red eléctrica para suministrar cargas monofásicas. Además, mejora la protección y supresión de la compatibilidad electromagnética del sistema de almacenamiento de energía.
Según el número de etapas, los PCS de tipo elevador-de frecuencia eléctrica se pueden dividir en topologías de una-etapa y de dos-etapas.
El PCS de etapa-incrementada{1}}de frecuencia de potencia-de una sola etapa ofrece alta eficiencia y una estructura simple; sin embargo, tiene una capacidad de batería baja y una flexibilidad limitada en la selección de voltaje. Además, un fallo de cortocircuito-en el lado de CC del PCS puede provocar fácilmente un gran aumento de corriente en el paquete de baterías, lo que representa un riesgo importante. Los PCS de una sola-etapa también se pueden clasificar en sistemas de dos-niveles, tres-niveles o varios-niveles según el nivel de voltaje de salida. A medida que aumenta el número de niveles, el nivel de voltaje CC y la calidad de la potencia de salida del PCS se pueden mejorar aún más, como se muestra en la figura.
El PCS-aumento de frecuencia-tipo de dos-etapas de potencia, como se muestra en la Figura 2-22, está configurado con un convertidor CC/CC bidireccional en el terminal de entrada de la batería, lo que aumenta la capacidad del paquete de baterías y mejora la flexibilidad de la selección de voltaje, y puede lograr un control independiente de múltiples paquetes de baterías. Sin embargo, tiene un alto costo, un control relativamente complejo y una baja eficiencia. Según las diferentes estructuras del convertidor CC/CC, el PCS de dos-etapas se puede dividir en tipos aislados y no-aislados. El PCS aislado de dos-etapas puede mejorar aún más la relación de transformación de voltaje y tiene una mayor adaptabilidad del voltaje de la batería, pero el diseño de un convertidor CC/CC bidireccional de gran-capacidad, aislado y de alto-relación de impulso presenta importantes desafíos técnicos. Las principales dificultades incluyen el diseño del transformador de alto voltaje-, el aislamiento del sistema, la conmutación suave resonante en serie o por cambio de fase y el diseño de alta densidad de potencia.
En el caso de las baterías de iones de litio-, que se utilizan habitualmente en sistemas de almacenamiento de energía de gran-capacidad, el voltaje de salida no varía significativamente cuando el estado de carga (SOC) está dentro del rango del 15 % al 85 %. Por lo tanto, la mayoría-de los sistemas de almacenamiento de energía de gran capacidad que se utilizan actualmente en mi país emplean un sistema de conversión de energía (PCS) de una sola-etapa. Sin embargo, a medida que el voltaje de CC se acerca a los 1500 V, se adoptarán cada vez más estructuras de topología de tres-niveles. Un sistema de almacenamiento de energía con batería de 1500 V reduce la huella requerida y el uso de equipos eléctricos como cajas de interruptores y cables de CC, lo que reduce en cierta medida los costos del sistema. Sin embargo, debido a la corta distancia entre la batería y el PCS, no ofrece la reducción significativa en las pérdidas de transmisión de CC que se observa en las plantas de energía fotovoltaica a gran escala. Además, impone mayores exigencias de rendimiento a componentes como disyuntores de CC bidireccionales y contactores de CC bidireccionales. El diseño de seguridad y protección eléctrica del circuito CC es un desafío central en la implementación de este sistema.
Para permitir la aplicación de centrales eléctricas de almacenamiento de energía de batería de escala ultra-grande- y evitar la conexión en paralelo de demasiados paquetes de baterías, así como para evitar las pérdidas causadas por los transformadores de frecuencia eléctrica y reducir los costos, los PCS de alto-voltaje directo-con una estructura modular en cascada se han convertido en una importante dirección de investigación. De manera similar a los PCS elevadores-de frecuencia eléctrica, los PCS conectados-directos de alto-voltaje también se pueden dividir en topologías de una-etapa y de dos-etapas según el número de etapas de conversión de energía.
El PCS de una sola etapa-en cascada puede generar alto voltaje sin un transformador de frecuencia eléctrica, conectándose directamente a la red eléctrica de alto-voltaje, lo que lo hace adecuado para construir sistemas de almacenamiento de energía de escala ultra-grande-. La estructura en cascada logra una salida multi-nivel, lo que garantiza armónicos de voltaje de salida bajos incluso con frecuencias de conmutación bajas en módulos individuales, lo que reduce las pérdidas de conmutación. Sin embargo, el PCS de una sola etapa-en cascada requiere aislamiento mutuo en el lado de CC, lo que genera una alta tensión de aislamiento para voltajes de salida bajos, lo que requiere un diseño especial. Hay rutas de corriente de modo común-entre cada paquete de baterías y la tierra, lo que requiere soluciones para la supresión de corriente de modo común-.
Las corrientes de carga y descarga de los paquetes de baterías contienen ondas de segundo-armónico, lo que afecta negativamente la ruta actual de la batería y aumenta los costos. Los PCS de una sola etapa-en cascada se pueden dividir principalmente en tipos de puente H-en cascada y convertidores modulares multinivel (MMC) en cascada, como se muestra en la figura.
En general, el PCS (sistema de conversión de energía) de conexión directa- de alto voltaje es una solución clave para abordar los desafíos de seguridad y eficiencia que plantea la capacidad ultra-grande de los sistemas de almacenamiento de energía. Sin embargo, impone altos requisitos de aislamiento tanto al paquete de baterías como al convertidor CC/CC aislado, lo que limita su adopción y aplicación generalizadas. Además, existen desafíos en el apilamiento concentrado, la conexión eléctrica y el diseño de seguridad de los sistemas de baterías de capacidad ultra-grande.