معماری و اصل کار سیستم ذخیره انرژی باتری (BESS)

با توسعه انرژی های تجدیدپذیر و پیشرفت سریع انتقال انرژی جهانی، سیستم ذخیره انرژی باتری (BESS) نقش مهمی را در سیستم های انرژی مدرن ایفا می کند. BESS با استفاده از فناوری پیشرفته باتری‌های لیتیوم یون انرژی الکتریکی را در باتری‌ها ذخیره می‌کند و در صورت نیاز آن را توزیع می‌کند و در نتیجه به حفظ عملکرد پایدار شبکه برق کمک می‌کند. در همین حال، می توان آن را با دستگاه های تولید انرژی تجدیدپذیر برای دستیابی به مدیریت انرژی کارآمدتر ادغام کرد. این مقاله مقدمه‌ای مفصل درباره معماری پایه سیستم ذخیره‌سازی انرژی باتری و اصول کار اجزای کلیدی آن ارائه می‌کند.

ساختار و جریان انرژی سیستم BESS در شکل زیر نشان داده شده است. PCS یک مبدل دو طرفه DC/AC است،

BESS از اجزای کلیدی زیر تشکیل شده است:

1. بسته باتری

یک بسته باتری توسط چندین سلول به صورت سری و موازی (با محدوده ولتاژ سلولی 2.5 ولت تا 3.65 ولت) تشکیل می شود که وظیفه ذخیره و آزادسازی انرژی الکتریکی را بر عهده دارد. برای افزایش ولتاژ باتری، بسته های باتری به صورت سری به هم متصل می شوند تا قفسه های باتری یا دسته های باتری (با ولتاژ حداکثر 1500VDC) را تشکیل دهند. برای افزایش ظرفیت انرژی، قفسه‌ها/خوشه‌های باتری به صورت موازی به هم متصل می‌شوند تا ظروف باتری (معمولاً 20 فوت در اندازه، با ظرفیت تقریباً 5 مگاوات ساعت) را تشکیل دهند.

انواع سلول‌ها شامل باتری‌های لیتیوم یون، باتری‌های سرب اسید و انواع دیگر هستند، و باتری‌هایی با کارایی متفاوت عموماً بر اساس سناریوهای کاربردی خاص انتخاب می‌شوند. از طریق آن‌ها انرژی از پانل‌های فتوولتائیک به باتری‌ها، بارها و شبکه برق جریان می‌یابد.

2. سیستم مدیریت باتری (BMS)

BMS (سیستم مدیریت باتری) یک سیستم اصلی است که برای نظارت و مدیریت باتری ها با مجموعه ای از عملکردهای حیاتی طراحی شده است. با نظارت بر زمان واقعی پارامترهای باتری از جمله ولتاژ، جریان و دما، BMS باتری را در محدوده ایمن نگه می دارد و به طور موثر از خطراتی مانند شارژ بیش از حد، تخلیه بیش از حد، اتصال کوتاه و گرم شدن بیش از حد جلوگیری می کند. علاوه بر این، از استراتژی‌های شارژ-دشارژ هوشمند و فن‌آوری‌های مدیریت تعادل برای بهینه‌سازی عملکرد باتری و افزایش عمر مفید استفاده می‌کند. همچنین از فناوری‌های متعادل کننده غیرفعال یا فعال برای از بین بردن «اثر چلیکی» ناشی از سطوح قدرت ناسازگار در بین سلول‌های باتری استفاده می‌کند. در همین حال، BMS قادر است وضعیت شارژ (SOC) و وضعیت سلامت (SOH) باتری را تخمین بزند و پشتیبانی دقیقی از عملکرد ایمن و بهینه‌سازی عملکرد باتری‌ها ارائه دهد. بلوک دیاگرام سیستم BMS که در زیر نشان داده شده است به طور مستقیم عملکردها و اجزای کلی آن را نشان می دهد. برای جزئیات بیشتر، لطفاً به راه‌حل‌های BMS قابل انباشته در وب‌سایت رسمی Infineon مراجعه کنید.

3. سیستم تبدیل برق (PCS)

PCS به عنوان یک دستگاه میانی بین اجزای ذخیره‌سازی انرژی (مانند بسته‌های باتری DC بزرگ) و شبکه برق AC عمل می‌کند و تبدیل انرژی الکتریکی دو طرفه را با اصل عملکرد خود که حالت‌های شارژ و دشارژ را پوشش می‌دهد، انجام می‌دهد.

در حالت شارژ، PCS جریان متناوب از شبکه برق را به جریان مستقیم تبدیل می کند و انرژی الکتریکی را در باتری ها ذخیره می کند. از طرف دیگر، از یک مبدل DC/DC برای تنظیم جریان مستقیم به ولتاژ و جریان مناسب برای شارژ باتری استفاده می‌کند تا شارژ باتری کارآمد انجام شود.

در حالت تخلیه، PCS جریان مستقیم باتری ها را به جریان متناوب تبدیل می کند تا برق بارهای الکتریکی را تامین کند یا برق را به شبکه برق برساند. در سناریویی دیگر، مبدل DC/DC ابتدا جریان مستقیم باتری ها را به ولتاژ و جریان مطابق با الزامات عملیاتی اینورتر تعدیل می کند، پس از آن اینورتر DC/AC جریان مستقیم شرطی شده را به جریان متناوب تبدیل می کند. بر اساس تقاضاهای کاربردی، PCS به انواع مسکونی، صنعتی و تجاری و ایستگاه های ذخیره انرژی در مقیاس بزرگ طبقه بندی می شود. به طور گسترده در خانه‌ها، شرکت‌ها و سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس بزرگ مستقر شده است، به یک جزء اصلی ضروری سیستم‌های انرژی مدرن تبدیل شده است. شکل زیر بلوک دیاگرام سیستم PCS را نشان می دهد که به صراحت اجزای اصلی و مکانیزم کاری آن را نشان می دهد. برای جزئیات بیشتر، لطفاً به معرفی سیستم تبدیل نیرو (PCS) در وب سایت رسمی Infineon مراجعه کنید.

4-سیستم مدیریت انرژی (EMS)

سیستم مدیریت انرژی (EMS) یک سیستم هوشمند است که برای نظارت، کنترل و بهینه سازی جریان انرژی و مصرف سیستم های انرژی طراحی شده است. EMS داده های بلادرنگ از جمله وضعیت شارژ و دشارژ باتری، دما، ولتاژ و جریان را از طریق سنسورها جمع آوری می کند. این فناوری تجزیه و تحلیل داده ها را برای نظارت بر عملکرد سیستم، شناسایی مشکلات احتمالی و بهبود بهره وری مصرف انرژی اتخاذ می کند. علاوه بر این، EMS می تواند به طور هوشمند تأسیسات ذخیره انرژی را با توجه به تقاضای انرژی، قیمت برق، بار شبکه و سایر شرایط برای دستیابی به مصرف انرژی کارآمد ارسال کند. همچنین دارای عملکردهای تشخیص عیب و حفاظت ایمنی است که می تواند به موقع در مورد ناهنجاری هایی مانند شارژ بیش از حد باتری و تخلیه بیش از حد هشدار دهد و از کنترل از راه دور و محافظت از اتصال برای اطمینان از عملکرد ایمن سیستم پشتیبانی کند. با توجه به الزامات برنامه خاص، پلت فرم نظارت EMS می تواند معماری C/S (کلینت/سرور) یا B/S (مرورگر/سرور) را اتخاذ کند. شکل زیر نمودار توپولوژی سیستم EMS یک نیروگاه ذخیره انرژی و سکوی نظارت EMS ذخیره انرژی را نشان می دهد که معماری کلی سیستم و همچنین حالت های دقیق جریان و مدیریت انرژی را ارائه می دهد.

5. سیستم کمکی

سیستم کمکی سیستم ذخیره انرژی، کلید تضمین عملکرد ایمن و پایدار سیستم است که شامل اجزای زیر است: سیستم کنترل دما به طور موثر دمای باتری را از طریق خنک کننده هوا یا خنک کننده مایع مدیریت می کند تا از گرم شدن بیش از حد یا کم خنک شدن از تأثیرگذاری بر عملکرد باتری و عمر مفید جلوگیری کند. سیستم حفاظت از حریق مجهز به دستگاه های تشخیص حریق و اطفاء حریق خودکار (مانند کپسول های آتش نشانی هپتا فلوئوروپروپان، گاز و پودر خشک) برای پاسخ سریع به خطرات احتمالی آتش سوزی و تضمین ایمنی عملیاتی است. کابینت توزیع برق وظایف توزیع برق و حفاظت مدار را انجام می دهد تا از آسیب تجهیزات ناشی از خطا جلوگیری کند. کابینت ترکیب کننده انرژی الکتریکی را از ماژول‌های باتری جمع‌آوری می‌کند و آن را به تجهیزات تبدیل نیرو منتقل می‌کند و در عین حال نظارت و حفاظت ایمنی را در زمان واقعی ارائه می‌دهد. این زیرسیستم های کمکی با هماهنگی کار می کنند تا از عملکرد کارآمد، ایمن و پایدار سیستم ذخیره سازی انرژی در شرایط مختلف اطمینان حاصل کنند.

سیستم ذخیره انرژی باتری (BESS) ذخیره انرژی کارآمد، برنامه ریزی هوشمند و مدیریت انرژی ایمن را از طریق عملکرد هماهنگ بسته های باتری، BMS، PCS، EMS و سیستم های کمکی محقق می کند. در حالی که از عملیات پایدار شبکه برق پشتیبانی می کند، BESS عمیقاً با انرژی های تجدیدپذیر ادغام شده است و پشتیبانی محکمی برای بهبود بهره وری استفاده از انرژی و ارتقای انتقال انرژی جهانی ارائه می دهد و همچنان نقش حیاتی در سیستم انرژی در آینده ایفا خواهد کرد.