Akkuenergian varastointijärjestelmän suunnitteluopas

Opas on suunniteltu tarjoamaan monialaista lähestymistapaa insinööreille, projektikehittäjille ja omaisuuden omistajille, jotka käyvät läpi tämän haasteen. Se tarkastelee koko suunnittelusykliä periaatteista aina turvallisuussuunnittelun, komponenttien integroinnin ja taloudellisen kestävyyden yksityiskohtiin asti.

Mikä on akkuenergian varastointijärjestelmä (BESS)

Akkuenergian varastointijärjestelmä (BESS) on edistynyt teknologiajärjestelmä, jonka tarkoituksena on ottaa talteen sähköenergiaa, varastoida se sähkökemialliseen väliaineeseen ja vapauttaa se sitten tarvittaessa. Sen perustavoitteena on energiantuotannon ja -kulutuksen ajallinen erottaminen toisistaan. A BESS on yleensä kaksisuuntainen resurssi, toisin kuin perinteinen voimalaitos; se voi sekä kuluttaa virtaa (lataa) että syöttää virtaa (purkaa) verkkoon tai sisäiseen laitokseen.

Järjestelmän hyödyllisyys on paljon muutakin kuin pelkkä tallennustila. BESS Nykyaikaisissa sähköjärjestelmissä resursseja ohjataan suorittamaan erilaisia ​​tärkeitä toimintoja. Näitä ovat verkkosovellukset, kuten taajuuden säätö, jännitteen tuki, apupalvelut ja uusiutuvien energialähteiden integrointi (aurinko- ja tuulienergian vaihtelevan tuotannon tasoittaminen). Kaupallisten ja teollisten käyttäjien (C&I) tapauksessa BESS tarjoaa taloudellisia etuja huippukulutuksen pienentämisen ja kysyntälaskujen hallinnan muodossa sekä vikasietoisuutta keskeytymättömän virransyötön (UPS) ominaisuuksien muodossa. BESS on pohjimmiltaan monipuolinen energian virtauksen hallintalaite, joka parantaa energian toimitusvarmuutta ja sähköjärjestelmien taloudellisuutta sekä on joustava työkalu.

Suunnittelun perusta: Mitoitus, tavoitteet ja sovellukset

BESS Suunnitteluprosessia ei aloita laitteisto, vaan tiukka käyttötarkoitusanalyysi. Käyttötarkoitus on merkittävin näkökohta, joka määrittää kaikki muut tekniset ja taloudelliset valinnat. Yhtä tarkoitusta varten luotu järjestelmä on harvoin, tai koskaan, paras palvelemaan toista tarkoitusta.

Sovelluksesi määrittely: suunnittelusi taustalla olevat syyt

Järjestelmän toimintaprofiili määritellään ”miksi”. Sovellukset ovat vaihtelevia ja määrittelevät tarvittavat suorituskykyominaisuudet. A BESS Huippukuormituksen purkaminen tarkoittaa lataamista edullisina, ruuhka-aikoina ja purkamista kalliina, suuren kysynnän huippuaikoina. Tämä vaatii rutiininomaisen, päivittäisen syklin. Toisaalta "taajuuden säätö" -järjestelmän tulisi olla valmis syöttämään tai absorboimaan tehoa millisekunneissa verkon taajuuden vakauttamiseksi (esim. 50/60 Hz), mikä vaatii paljon tehoa ja nopeaa reagointia. BESS varavirran tai vikasietoisuuden tarjoamiseksi se voi olla käyttämättömänä suurimman osan ajasta, mutta sen on kyettävä toimittamaan jatkuvaa energiaa tietyn ajan sähkökatkon sattuessa. Toinen tärkeä käyttötarkoitus on uusiutuvien energialähteiden integrointi, jossa BESS on konfiguroitu siirtämään aurinkopaneelien tai tuulivoiman ylijäämäenergiaa ajallisesti suuren kysynnän aikoihin, jolloin ajoittainen energia muuttuu ohjattavaksi resurssiksi. Kaikilla näillä sovelluksilla, kuten taloudellisella optimoinnilla, verkon vakaudella tai vikasietoisuudella, on omat vaatimuksensa akun käyttöiän, vasteajan ja energia-tehosuhteen suhteen.

Kriittiset mittarit: Tehon (kW) ja energian (kWh) laskeminen

Sovelluksen määrittelyn jälkeen se tulisi muuntaa kahdeksi perusmittariksi, jotka ovat teho ja energia. Kyvyttömyys erottaa näitä kahta parametria on yleinen ja kallis suunnitteluvirhe.

• Teho (kW tai MW): Tämä on nopeus, jolla BESS voi ladata tai purkaa. Se määrittää järjestelmän suurimman kuormituksen tiettynä ajankohtana. Sovellukset, kuten taajuusvaste tai suuret moottorien käynnistykset, vaativat suuren tehon.
• Energia (kWh tai MWh): Tämä on kokonaisenergiakapasiteetti, jonka BESS voi pitää. Se määrittää, kuinka kauan järjestelmä pystyy ylläpitämään tehontuottoaan.

Tämä suhde, E/P-suhde (energian ja tehon suhde), kuvaa järjestelmää. 10 MW / 10 MWh -järjestelmä (1 tunnin kesto) eroaa olennaisesti 10 MW / 40 MWh -järjestelmästä (4 tunnin kesto). Ensimmäinen on suuritehoinen ominaisuus, joka soveltuu verkkopalveluihin, ja jälkimmäinen on suuritehoinen ominaisuus, joka soveltuu kuormansiirtoon. Näiden kahden mittarin laskentaan vaikuttaa suoraan sovellusanalyysi (miksi).

Akkuenergian varastointijärjestelmän ydinkomponentit

A BESS ei ole yksittäinen tuote, vaan useiden peruskomponenttien ja keskeisten alijärjestelmien yhdistelmä. Näiden komponenttien määrittely ja yhteentoimivuus määräävät koko projektin suorituskyvyn, turvallisuuden ja kustannukset.

Akkujärjestelmä

Tämä on BESS sähkökemiallinen säiliö, joka on kokoelma akkukennoja, moduuleja ja telineitä. Akun kemia on perustavanlaatuinen suunnittelupäätös.

• Litiumioniakut:
  Tämä on vallitsevaa nykyteknologiaa BESS korkean energiatiheytensä, korkean hyötysuhteensa ja laskevien kustannustensa vuoksi. On olemassa kaksi pääasiallista alakemikaalia:
  • Litium-rautafosfaatti (LFP)Uusi standardi kiinteässä varastoinnissa. LFP:llä on parempi lämmönkestävyys (ja siksi se on turvallisempi), pidempi käyttöikä, eikä siinä käytetä kobolttia.
  • Nikkeli-mangaanikoboltti (NMC)Sillä on suurempi energiatiheys, ja se on suosittu vaihtoehto sähköautoissa. Sitä käytetään edelleen laajasti kiinteässä varastoinnissa, vaikka sen alhaisempi lämpökiihtymäkynnys vaatii vankempaa lämpö- ja turvallisuusohjausta.
• Lyijyakut:
  Vanha tekniikka, jota on käytetty keskeytymättömissä virtalähteissä (UPS). Lyijyakut ovat kehittyneitä, helposti kierrätettäviä ja lähtökohtaisesti edullisia. Niiden puutteet, kuten alhainen energiatiheys, lyhyempi syklin käyttöikä ja alttius syväpurkaukselle, tekevät niistä vähemmän kilpailukykyisiä useimmissa uusissa, laajamittaisissa tuotteissa. BESS sovelluksissa.
• Virtausakut ja muut uudet teknologiat:
  Virtausakut, erityisesti vanadiiniredox-virtausakut (VRFB), ovat erityyppinen energian varastointiratkaisu. Ne keräävät kemiallista energiaa nestemäisten elektrolyyttien muodossa, jotka sijaitsevat ulkoisissa säiliöissä. Niiden tärkein etu on, että ne ovat täysin irrotettuja tehon (määräytyy pinon koon mukaan) ja energian (määräytyy säiliön tilavuuden mukaan) suhteen. Tämä tekee niistä erittäin sopivia pitkäaikaiseen varastointiin (yli 6 tuntia). Natriumioni on myös toinen uusi teknologia, joka on saamassa vauhtia vaihtoehtona litiumioniakuille.

Akkujen hallintajärjestelmä – BMS

Akkujen hallintajärjestelmä (BMS) on erittäin tärkeä elektroninen ohjausyksikkö, joka varmistaa akkujärjestelmän turvallisen ja luotettavan toiminnan kennotasolla. Se ei ole valinnainen vaihtoehto, vaan osa järjestelmän eheyttä. BMS valvoo kaikkia kriittisiä parametreja. Sen toimintoihin kuuluvat:

• Seuranta: Mittaa jatkuvasti jokaisen kennon tai moduulin jännitettä, virtaa ja lämpötilaa.
• suojaus: Lakkaa toimimasta turvallisten rajojen ulkopuolella (ylijännite, alijännite, ylivirta, ylilämpötila).
• Valtion arvio: Määrittää varaustilan (SOC) (jäljellä olevan energian varastointikapasiteetin) ja kuntotilan (SOH) (akun heikkenemisen ajan kuluessa).
• Solujen tasapainotus: Ohjaa kennojen varaustilaa ennakoivasti tai reaktiivisesti pitääkseen ne tasaisessa tilassa, välttäen kennojen eroavaisuuksia ja maksimoiden koko akkutelineen käyttökapasiteetin ja käyttöiän.

Tehonmuunnosjärjestelmä – PCS

Tasavirta-akkujärjestelmän ja vaihtovirtaverkon välistä kaksisuuntaista tehoelektroniikan rajapintaa kutsutaan tehomuunnosjärjestelmäksi (PCS). Se on invertteri (tasavirta purkautuu vaihtovirtaan) ja tasasuuntaaja (vaihtovirta tasavirtaan varautuu). PCS:n tehtävänä on suorittaa sähköjärjestelmän (EMS) antamat lähetyskomennot, säätää sähkön laatua (pätö- ja loistehon) ja synkronoida se verkon jännitteen ja taajuuden kanssa. BESS on ominaista PCS-luokitus (kW tai MW), joka määrittää laitteen suurimman tehon. BESS ja sen verkkoliitäntäkyky.

Energianhallintajärjestelmä – EMS

Koko yksikön ylin valvonta BESS on energianhallintajärjestelmä (EMS). BMS huolehtii akun kunnosta, kun taas EMS huolehtii järjestelmän tehtävästä. Päätöksenteko-ohjelmisto optimoi BESS toiminta. Sähkönvalvontajärjestelmä ottaa vastaan ​​ulkoisia syötteitä (verkkosignaaleja, sähkötariffeja, laitoksen kuormitusta) ja sisäisiä syötteitä (rakennusautomaatiojärjestelmä ja järjestelmävalvontajärjestelmä) määrittääkseen, milloin akku ladataan, puretaan tai siirretään valmiustilaan. Se toteuttaa taloudellisen tai teknisen toteutuksen, esimerkiksi huippujen poistoalgoritmeja tai taajuusvastekomentoja.

Lämmönhallintajärjestelmä – TMS

Lämmönhallintajärjestelmä (TMS) vastaa akkujärjestelmän pitämisestä vaaditulla käyttölämpötila-alueella. Lämpötila on erittäin herkkä akun suorituskyvylle, pitkäikäisyydelle ja turvallisuudelle. TMS:n tulisi vähentää latauksen ja purkauksen aikana syntyvän hukkalämmön määrää. Yleisiä TMS-tyyppejä ovat:

• Pakotettu ilma: Se sisältää tuulettimien ja LVI-järjestelmien käytön ilmastoidun ilman jakamiseen.
• Nestejäähdytys: Tässä menetelmässä käytetään jäähdytysnestettä (esim. vesiglykolia), jota kierrätetään akkumoduuleihin sisäänrakennetuissa kylmissä levyissä tai kanavissa. Nestejäähdytys on tehokkaampaa ja siitä on tulossa standardi tiheissä ja tehokkaissa akuissa. BESS sovelluksissa.

Syvällinen analyysi: Kriittisen turvallisuus- ja suojausjärjestelmän suunnittelu

Laitteen turvallinen käyttö BESS ei ole ominaisuus BESSSe on sen suunnittelun ja toiminnan edellytys. Korkeajännitteisen ja paljon energiaa kuluttavan järjestelmän toimintahäiriö voi olla katastrofaalinen. Hyvä turvallisuussuunnittelu on monikerroksinen lähestymistapa, johon kuuluu lakien noudattaminen, tiukka sähkösuunnittelu ja fyysinen riskien lieventäminen.

Keskeiset standardit ja vaatimustenmukaisuus

A BESS Suunnittelu ei tapahdu tyhjiössä. Sen tulee noudattaa jäykkää kodifioitua standardia, joka säätelee sen turvallisuutta, asennusta ja käyttöä. Noudattamisesta ei voida neuvotella, ja se määrää keskeiset suunnittelupäätökset. Keskeisiä standardeja ovat:

• UL 9540: Tärkein turvallisuusstandardi BESS itse järjestelmä, joka varmistaa, että komponentit (akku, PCS jne.) toimivat yhdessä turvallisena yksikkönä.
• UL 9540A: Tämä ei ole hyväksymis-/hylkäystodistus, vaan testimenetelmä lämpöpurkauksen etenemistason määrittämiseksi. Tämän testin tulos on olennainen palokunnan toiminnan ohjaamisessa ja asennusvaatimusten määrittämisessä (esim. järjestelmän etäisyydet, palontorjunta).
• NFPA 855: (Kiinteiden energian varastointijärjestelmien asennus). Se on tärkeä määräys, jota käyttävät palopäälliköt ja toimivaltaiset viranomaiset. Se asettaa pakollisia asennusta koskevia määräyksiä, kuten fyysisen etäisyyden järjestelmien välillä. BESS yksiköitä, tietyllä alueella olevien yksiköiden enimmäiskoko sekä tarvittavat palonsammutus- ja paloilmoitusjärjestelmät.

DC-sähköturvallisuussuunnittelu

Tasavirta (DC) -puoli a:ssa BESS, joka yhdistää akut PCS:ään, on kiistatta koko suunnittelun tärkein, vaarallisin ja kallein komponentti, jonka tunnemme liiankin hyvin sekä täydellisten järjestelmien että niiden tasavirtasuojauselementtien valmistajina. Korkeajännitteinen tasavirta (tyypillisesti 1000 V - 1500 V) on erityistapaus, koska tasavirtavalokaari ei sammu itsestään nollapisteessä kuten vaihtovirtavalokaari. Tämän vuoksi vikavirran katkaiseminen on erittäin vaikeaa ja vaarallista.

• DC katkaisijat
  Nämä ovat ylivirta- ja oikosulkusuojalaitteita. Ne tulisi mitoittaa erityisesti järjestelmän suurimmalle tasajännitteelle ja mahdolliselle oikosulkuvirralle. Katkaisija, joka ei ole tasavirtasuojattu, ei keskeytä vikaa, mikä johtaa vakaviin laitevikoihin ja tulipaloon.
• DC-eristyskytkimet
  Nämä ovat välttämättömiä turvalaitteita, joita käytetään tarjoamaan positiivinen, näkyvä ja fyysinen katkaisupiste virtalähteeseen. Niitä ei käytetä vikojen keskeyttämiseen, vaan laitteiden eristämiseen huollon helpottamiseksi. Niitä tarvitaan "Lockout-Tagout" (LOTO) -prosesseissa, joissa teknikot voivat työskennellä jännitteettömässä järjestelmässä vahingoittumatta.
• DC-sulakkeet
  Sulakkeet tarjoavat nopeasti toimivan uhrautuvan ylivirtasuojan. Niitä käytetään yleensä akkujonossa tai telineessä suojaamaan alijärjestelmiä ja eristämään vika, jotta se ei leviä koko järjestelmään. BESSNiiden tulisi olla erityisesti DC-suunnittelussa käytettyjä ja niillä tulisi olla korkea keskeytysluokitus.
• Ylijännitesuojalaitteet (SPD:t)
  BESS on kiinteästi kytketty verkkoon ja altis ohimeneville ylijännitteille salamaniskujen tai verkkokytkentäkytkentäjen vuoksi. Akkuväylään on asennettu tasavirtasuojakytkimet suojaamaan haavoittuvaa akkua ja PCS-elektroniikkaa näiltä tuhoisilta jännitepiikeiltä.

AC-sähköturvallisuus

Vaihtovirtapuolen verkon liitäntäpisteen ja PCS:n välille tarvitaan tavallisia vaihtovirtakatkaisijoita. Nämä tarjoavat ylivirtasuojan ja irrotuspisteen sähköverkon tai laitoksen kuorman ja PCS:n välille suojatakseen alavirran vioilta ja verkon ylävirran vioilta. Kattavaan suunnitteluun on sisällytetty myös vaihtovirran ylijännitesuojakytkimiä herkän PCS:n suojaamiseksi verkkopiikeiltä, ​​ja vaihtovirran katkaisimia käytetään turvallisuuden ylläpitämiseksi (LOTO).

Paloturvallisuus ja fyysinen suojaus

Tämä suunnittelukerros olettaa, että jokin vika (esim. yksittäisen kennon lämpöpurkaus) tapahtuu, ja pyrkii vähentämään sen vaikutuksia. Tähän sisältyy:

• tunnistus: Kehittyneet järjestelmät, jotka pystyvät havaitsemaan kaasun vapautumisen (ennen lämpökiihtymistä) tai savun.
• Tukahdutus: Automaattiset sammutusjärjestelmät, jotka toimivat jännitteisillä sähkölaitteilla, mukaan lukien puhdistusaineet (Novec 1230, FM-200) tai vesisumu.
• Leviämisen estäminen: Hyllyjen ja säiliöiden fyysinen sijoittelu perustuu UL 9540A -standardin mukaisiin testeihin, joilla varmistetaan, ettei yhdessä yksikössä syttynyt tulipalo leviä muihin yksiköihin.

Teknologian tuolla puolen: Suunnittelua BESS Kannattavuus ja projektin arvo

Teknisesti ihanteellinen suunnitelma, joka ei ole kustannustehokas, on epäonnistuminen. Projektin taloudellisen mallin tulisi olla tiiviisti yhteydessä suunnitteluprosessiin. Tavoitteena on maksimoida projektin arvo, joka yleensä mitataan sijoitetun pääoman tuottoprosentilla (ROI), ja minimoida tasoitetut varastointikustannukset (LCOS).
Tämä vaatii kattavan taloudellisen tutkimuksen. Suunnittelulla on suora vaikutus pääomakustannuksiin (CapEx), jotka ovat laitteiden ja asennuksen alkukustannuksia. Se määrittää myös käyttökustannukset (OpEx), kuten ylläpidon, hyötysuhteen menetykset (edestakaisin tapahtuva hyötysuhde) ja akkujen heikkenemisen (mikä määrittää laitteiston käyttöiän).
Kannattavimmat mallit ovat yleensä niitä, jotka hyödyntävät "arvopinoamista". Tämä on lähestymistapa, jossa on yksi BESS projektiomaisuuserä tarjoaa useita palveluita ja tuottaa useita tulovirtoja. Esimerkkinä tästä on, että BESS voidaan ensisijaisesti käyttää päivittäisten huippukuormituksen alentamiseen (taloudellinen hyöty), mutta se voidaan myös liittää sähköohjelmaan taajuuden säätöä varten (verkkopalvelutulot). Innovatiivinen suunnittelu tekee siitä BESS teknisesti pätevä käsittelemään näitä erilaisia ​​toimintoja, mikä tekee siitä mahdollisimman arvokkaan.

Tulevaisuuden trendit ja innovaatiot sisään BESS Design

BESS Suunnittelumaisema ei ole pysyvä, vaan se muuttuu erittäin nopeasti. Innovatiivisen suunnittelun tulisi ottaa huomioon nousevat trendit, joista tulee pian normi. Keskeisiä innovaatioita ovat:

• Seuraavan sukupolven kemikaalit:
  Siirtyminen puolijohdeakkuihin tarjoaa suurempia energiatiheyksiä ja merkittävän parannuksen turvallisuuteen, koska syttyvät nestemäiset elektrolyytit poistetaan.
• Edistynyt ohjelmisto:
  Energianhallintajärjestelmiä (EMS) varustetaan tekoälyllä ja koneoppimisella, jotta voidaan tarjota edistyneempää ennakoivaa huoltoa ja taloudellista optimointia, mikä mahdollistaa BESS reagoida monimutkaisiin markkinasignaaleihin reaaliajassa.
• Pitkäaikainen säilytys:
  Uusiutuvien energialähteiden yleistyessä tarve varastoida akkua tavanomaista neljän tunnin ikkunaa pidempään on käymässä kiireelliseksi. Tämä ajaa virtausakkujen ja muiden kemikaalien innovaatioita, joiden on tarkoitus purkautua 8, 12 tai jopa 100 tuntia.
• Järjestelmäintegraatio:
  BESS muotoilu integroituu muihin sektoreihin. Näemme yhdistettyjen ratkaisujen, kuten ”BESS+EV Lataus” sähköajoneuvojen kysynnän koordinoimiseksi ja ”BESS+Vihreä vety” elektrolyysilaitteiden toiminnan vakauttamiseksi. Tämä on jo saavutettu hienostuneissa all-in-one-laitteissa, mukaan lukien akkuihin integroidut EV laturit valmistajalta BENY, joka yhdistää aurinkoenergian syötön, suuren kapasiteetin energian varastoinnin ja DC-pikalatausominaisuudet yhteen älylaitteeseen.

Yhteenveto

Akkupohjainen energian varastointijärjestelmä on monimutkainen ja monimutkainen suunnitteluprosessi. Se ei ole pysyvä tiede, vaan dynaaminen tiede, joka tasapainottaa suorituskyvyn, kustannukset ja ennen kaikkea turvallisuuden. Tämä opas on käynyt läpi tämän prosessin peruspilarit: tehtävän määrittelyn mitoituksen ja sovelluksen avulla, keskeisten komponenttien tuntemisen, monikerroksisen turvallisuus- ja suojausjärjestelmän suunnittelun sekä pitkän aikavälin projektin arvon suunnittelun. Paras suunnittelu on kaikkien näiden tarkka yhdistelmä. Tämän teknologian noustessa nykyisen sähköinfrastruktuurimme selkärangaksi, sen menestys määräytyy näiden perussuunnitteluperiaatteiden tiukan, älykkään ja turvallisen toteuttamisen perusteella.