O sistema de armazenamento de energia eletroquímica consiste em duas partes: o lado CC e o lado CA. O lado CC é o compartimento de baterias, incluindo baterias, controle de temperatura, proteção contra incêndio, painéis elétricos, contêineres e outros equipamentos. Já o lado CA é o compartimento elétrico, incluindo conversores de armazenamento de energia, transformadores, contêineres, etc. A interação da energia elétrica entre o sistema de armazenamento e a rede é realizada por meio da conversão CA-CC do conversor PCS.
1. Classificação de sistemas de armazenamento de energia
De acordo com a estrutura elétrica, os sistemas de armazenamento de energia em larga escala podem ser divididos em:
(1) Centralizado: Sistema de armazenamento de energia centralizado, do tipo boost, de baixa tensão e alta potência, conectado à rede. Vários clusters de baterias são conectados em paralelo e, em seguida, conectados ao PCS. O PCS busca alta potência e alta eficiência. Atualmente, a solução de 1500 V está sendo promovida.
(2) Distribuído: sistema de armazenamento de energia conectado à rede de reforço distribuído de baixa tensão e baixa potência, cada cluster de baterias é conectado a uma unidade PCS, e o PCS adota um arranjo distribuído de baixa potência.
(3) Tipo string inteligente: Com base na arquitetura do sistema de armazenamento de energia distribuída, tecnologias inovadoras como otimização de energia em nível de módulo de bateria, controle de energia de cluster único de bateria, gerenciamento inteligente digital e design totalmente modular são adotadas para alcançar uma aplicação mais eficiente de sistemas de armazenamento de energia.
(4) Sistema de armazenamento de energia de alta potência em cascata de alta tensão: inversor de bateria de cluster único, conectado diretamente à rede elétrica com um nível de tensão acima de 6/10/35kv sem transformador. A capacidade de uma única unidade pode atingir 5MW/10MWh.
(5) Tipo distribuído: Vários ramos no lado CC são conectados em paralelo, um conversor CC/CC é adicionado na saída do cluster de baterias para isolar o cluster de baterias e os conversores CC/CC são conectados ao lado CC do PCS centralizado após a coleta.
2. A evolução das tecnologias de armazenamento de energia gira em torno da segurança, do custo e da eficiência.
Segurança, custo e eficiência são as principais questões que precisam ser abordadas no desenvolvimento do armazenamento de energia. O objetivo central da evolução da tecnologia de armazenamento de energia é aprimorar a segurança, reduzir custos e aumentar a eficiência.
(1) Segurança
A segurança das centrais de armazenamento de energia é a questão mais preocupante no setor. Os potenciais riscos de segurança em centrais eletroquímicas incluem incêndios causados por eletricidade, incêndios causados por baterias, explosões de hidrogênio em caso de incêndio, anomalias no sistema, etc. A causa dos problemas de segurança em centrais de armazenamento de energia geralmente pode ser atribuída à fuga térmica da bateria. As causas da fuga térmica incluem abuso mecânico, abuso elétrico e abuso térmico. Para evitar problemas de segurança, é necessário monitorar rigorosamente o estado da bateria para evitar a ocorrência de fuga térmica.
(2) Alta eficiência
A consistência das células é um fator crucial que afeta a eficiência do sistema. A consistência da bateria depende da sua qualidade, da tecnologia de armazenamento de energia utilizada e do ambiente de operação. Com o aumento do número de ciclos de carga e descarga, as diferenças entre as baterias tornam-se gradualmente mais evidentes. As variações no ambiente de operação real durante a operação simultânea levam a diferenças ainda maiores entre as baterias, agravando o problema de consistência e representando desafios para o gerenciamento do sistema de gerenciamento de baterias (BMS), além de riscos de segurança. No projeto e operação de usinas de armazenamento de energia, a consistência das baterias deve ser otimizada ao máximo para melhorar a eficiência do sistema.
(3) Baixo custo
O custo de um sistema de armazenamento de energia está relacionado ao investimento inicial e à vida útil. O envelhecimento e a deterioração dos materiais da bateria, o sistema de carga e descarga, a temperatura de operação da bateria e a consistência dos monômeros afetam a vida útil da bateria. Quando a diferença de temperatura entre as baterias no compartimento for superior a 10 graus, a vida útil da bateria será reduzida em mais de 15%. Diferenças no aumento de temperatura entre os módulos também podem levar a uma redução na vida útil geral do sistema. O sistema de armazenamento de energia deve melhorar sua vida útil otimizando o método de carga e descarga, reduzindo a diferença de temperatura entre os sistemas e melhorando a consistência da bateria.
3. Rota tecnológica para a integração do armazenamento de energia: os esquemas de topologia são iterados gradualmente.
(1) Solução centralizada: 1500 V em vez de 1000 V tornou-se uma tendência
Com o desenvolvimento de usinas eólicas centralizadas e o armazenamento de energia em larga escala, a alta tensão CC tornou-se a principal solução técnica para reduzir custos e aumentar a eficiência, e o sistema de armazenamento de energia com tensão CC de até 1500V tornou-se uma tendência crescente. Comparado ao sistema tradicional de 1000V, o sistema de 1500V aumenta a tensão suportável de cabos, módulos de hardware BMS, PCS e outros componentes de no máximo 1000V para no máximo 1500V. A solução técnica de 1500V para sistemas de armazenamento de energia deriva dos sistemas fotovoltaicos. Segundo estatísticas da CPIA, em 2021, a participação de mercado dos sistemas fotovoltaicos nacionais com tensão CC de 1500V era de cerca de 49,4%, e a expectativa é que esse número aumente gradualmente para quase 80% no futuro. O sistema de armazenamento de energia de 1500V contribuirá para uma melhor compatibilidade com os sistemas fotovoltaicos.
O desempenho da solução de sistema de armazenamento de energia de 1500V também é superior ao da solução de 1000V. Tomando como exemplo a solução da Sungrow, em comparação com o sistema de 1000V, a densidade de energia e a densidade de potência do sistema de baterias aumentaram em mais de 35%. A mesma capacidade da usina requer menos equipamentos, e o custo do sistema de baterias, PCS, BMS, cabos e outros equipamentos é significativamente reduzido. Os custos de investimento em infraestrutura e terreno também são reduzidos simultaneamente. Segundo estimativas, em comparação com a solução tradicional, o custo inicial de investimento do sistema de armazenamento de energia de 1500V é reduzido em mais de 10%. No entanto, à medida que a tensão do sistema de armazenamento de energia de 1500V aumenta, o número de baterias conectadas em série também aumenta, dificultando o controle de consistência, e os requisitos para prevenção e proteção contra arco elétrico em corrente contínua e projeto de isolamento elétrico também se tornam mais rigorosos.
(2) Solução distribuída: solução madura e de alta eficiência
A solução distribuída também é chamada de conexão paralela multi-ramificada no lado CA. Comparada à solução técnica centralizada, a solução distribuída converte a conexão paralela do lado CC do conjunto de baterias em conexão paralela do lado CA por meio do inversor de string distribuído, o que evita os riscos de circuitos paralelos, perda de capacidade e arcos elétricos CC causados pela conexão paralela do lado CC, melhorando a segurança operacional. Ao mesmo tempo, a precisão do controle passa de múltiplos conjuntos de baterias para um único conjunto de baterias, resultando em maior eficiência de controle.
A Usina Termelétrica de Armazenamento de Energia Huangtai, da Shandong Huaneng, é a primeira usina do mundo com capacidade de armazenamento de energia de 100 megawatts e controle descentralizado. A usina utiliza baterias da CATL e o sistema PCS da Sineng Electric. Segundo estimativas, após a entrada em operação, a taxa de utilização da capacidade das baterias da usina poderá atingir cerca de 92%, 7 pontos percentuais acima da média atual do setor. Além disso, o controle descentralizado dos conjuntos de baterias permite a calibração automática do estado de carga (SOC), reduzindo significativamente a carga de trabalho de operação e manutenção. A eficiência dos testes de conexão à rede elétrica atingiu 87,8%. Considerando os orçamentos atuais do projeto, o sistema descentralizado não é mais caro que o sistema centralizado.
(3) Solução de cluster inteligente: um pacote, uma otimização, um cluster, um gerenciamento
A solução de string inteligente proposta pela Huawei resolve três problemas principais da solução centralizada: (1) Atenuação da capacidade. Na solução tradicional, o uso de baterias apresenta um evidente "efeito de curto-circuito". Os módulos de bateria são conectados em paralelo. Durante o carregamento, quando uma célula da bateria está totalmente carregada, o carregamento é interrompido. Durante a descarga, quando uma célula da bateria está completamente descarregada, a descarga também é interrompida. A vida útil total do sistema depende da bateria com menor vida útil. (2) Inconsistência. Na operação e aplicação do sistema de armazenamento de energia, devido a diferentes ambientes específicos, ocorre uma variação na consistência da bateria, o que leva a uma degradação exponencial da capacidade do sistema. (3) Descompasso de capacidade. A conexão em paralelo de baterias pode causar descompasso de capacidade, e a capacidade real da bateria é muito menor do que a capacidade padrão.
A solução de string inteligente resolve os três problemas da solução centralizada acima mencionados por meio de um design inteligente e modular em string: (1) String. O otimizador de energia é usado para realizar o gerenciamento em nível de módulo de bateria, o controlador de cluster de baterias é usado para alcançar o balanceamento entre os clusters e o condicionador de ar distribuído reduz a diferença de temperatura entre os clusters. (2) Inteligência. Aplicam-se tecnologias avançadas de TIC, como IA e BMS em nuvem, para cenários de detecção interna de curto-circuito, aplica-se IA para prever o estado da bateria e adotam-se estratégias de controle de temperatura inteligentes com vinculação multimodelos para garantir o estado ideal de carga e descarga. (3) Modularização. O design modular do sistema de baterias permite isolar o módulo defeituoso sem afetar a operação normal dos outros módulos no cluster. O design modular do PCS permite que, quando um único PCS falha, os outros PCS continuem funcionando e, quando vários PCS falham, o sistema ainda pode continuar operando.
(4) Esquema de cascata de alta tensão: esquema de alta eficiência sem estrutura paralela
A solução de armazenamento de energia em cascata de alta tensão é projetada por meio de eletrônica de potência para atingir uma tensão de conexão à rede de 6 a 35 kV sem a necessidade de um transformador. Tomando como exemplo a solução de 35 kV da Xinfengfeng, o sistema de armazenamento de energia individual é um sistema de 12,5 MW/25 MWh. A estrutura elétrica do sistema é semelhante à de um gerador de alta tensão de baixa tensão (SVG), consistindo em três fases: A, B e C. Cada fase contém 42 unidades de potência em ponte H, que suportam 42 clusters de baterias. Um total de 126 unidades de potência em ponte H, distribuídas em três fases, suportam 126 clusters de baterias, armazenando um total de 25,288 MWh de eletricidade. Cada cluster de baterias consiste em 224 células conectadas em série.
As vantagens do esquema de cascata de alta tensão se refletem em: (1) Segurança. Não há células conectadas em paralelo no sistema, o que reduz o risco de danos às baterias, limita a necessidade de substituição, minimiza a influência de fatores externos e diminui os custos de manutenção. (2) Consistência. Os conjuntos de baterias não são conectados diretamente, mas sim após a conversão CA/CC, permitindo o controle do equilíbrio do estado de carga (SOC) de todos os conjuntos de baterias através da conversão CA/CC. Há apenas um único cluster de baterias dentro do conjunto, sem conexão em paralelo entre os clusters, o que elimina o problema de compartilhamento de corrente. O controle de equilíbrio entre as células é realizado pelo BMS (Sistema de Gerenciamento de Baterias) dentro do cluster de baterias. Portanto, essa solução maximiza o uso da capacidade da bateria e, para a mesma potência conectada à rede CA, permite a instalação de um número menor de baterias, reduzindo o investimento inicial. (3) Alta eficiência. Como o sistema não possui células/clusters de baterias operando em paralelo, não há efeito de curto-circuito e a vida útil do sistema é aproximadamente igual à de uma única célula, maximizando a economia operacional do dispositivo de armazenamento de energia. O sistema não necessita de um transformador elevador, e a eficiência real do ciclo do sistema no local atinge 90%.
(5) Solução distribuída: isolamento CC + inversor centralizado
O esquema distribuído também é chamado de conexão paralela multi-ramificada no lado CC. Com base no esquema centralizado tradicional, um conversor CC/CC é adicionado na saída do conjunto de baterias para isolá-lo, e o conversor CC/CC é conectado ao lado CC do PCS centralizado. De 2 a 4 PCSs são conectados em paralelo a um transformador local e, após serem elevados pelo transformador, são conectados à rede. Ao aumentar o isolamento CC/CC no sistema, evita-se o arco voltaico CC, a corrente circulante e a perda de capacidade causadas pela conexão paralela CC, o que melhora significativamente a segurança do sistema e, consequentemente, sua eficiência. No entanto, como o sistema precisa passar por dois estágios de inversão, isso tem um impacto negativo na eficiência.
Data da publicação: 22/09/2023