1 Introducción

Aunque el número de instalaciones fotovoltaicas sigue aumentando, el desequilibrio entre la oferta y la demanda de energía solar se ha convertido en un factor limitante importante. Se puede obtener suficiente energía solar durante el día, pero la demanda no es alta. Esto significa que los usuarios pagarán precios más altos por vatio por la mañana y por la noche durante las horas punta.

Los sistemas de almacenamiento de energía (ESS) de los equipos solares en viviendas, empresas e instalaciones públicas utilizan inversores para almacenar energía o redes eléctricas cuando la demanda es mínima durante el día y cuando la demanda es alta para liberar la energía generada. La adición de ESS a los sistemas solares conectados a la red permite a los usuarios ahorrar costos en el uso de la tecnología de "pico - ajuste".

2. Conversión de potencia bidireccional

Los equipos fotovoltaicos tradicionales consisten en niveles de potencia unidireccionales DC / AC y DC / DC, pero el método de conversión unidireccional es el principal obstáculo para el SEE. Se necesitan más componentes, módulos y subsistemas, todo lo cual aumenta considerablemente el costo de añadir ESS a las instalaciones solares existentes.

Para a ñadir una batería a un dispositivo fotovoltaico existente, las dos rutas de carga y descarga de la batería deben combinarse en una ruta compuesta por la corrección del factor de potencia (PFC) y el nivel de potencia del inversor. ¿Pero cómo construir un convertidor de potencia bidireccional en lugar de dos convertidores de potencia unidireccionales?

Figura 1. Diagrama de bloques de PFC bidireccional y fase de inversión

El inversor híbrido puede mejorar eficazmente la eficiencia de la fase de conversión, pero esta mejora de la eficiencia es más importante para la microred equipada con ESS, que puede realizar múltiples conversiones de potencia. El sistema convertidor de potencia gestiona la conversión DC / DC para cargar y descargar baterías. También gestiona las conversiones DC / AC y AC / DC y convierte la corriente directa almacenada en la batería en corriente alterna para entrar y salir de la red.

3. Batería de alta tensión

En un sistema de microgrid con batería, la función principal de la batería es almacenar energía fotovoltaica y suministrar energía a la red según sea necesario. La capacidad de almacenamiento unitario de la batería de iones de litio es obviamente mayor que la de la batería de ácido de plomo.

Aunque las baterías de 400 V son cada vez más populares en el campo de los vehículos eléctricos (EV), los dispositivos de red solar también están aumentando el voltaje de las baterías de 48 v a 48 v. ¿Pero cómo manejar la conversión de energía para baterías de 400 V?

Además del microcomputador con funciones de control y comunicación del sistema que integra el SEE en un sistema más grande, el interruptor de alimentación de baja pérdida y alta eficiencia también mejora la seguridad y fiabilidad del sistema de almacenamiento de energía. Los interruptores de alimentación compactos y los microcomputadores en tiempo real basados en SIC y gan permiten modificar los convertidores bidireccionales para adaptarse a una variedad de unidades de almacenamiento de energía DC. Véase la figura 2.

Figura 2. Funcionamiento bidireccional estable de las aplicaciones de carga y descarga de baterías

4. Diseño del convertidor DC / DC de doble puente activo

Los semiconductores de banda ancha, como SIC y Gan, desempeñan un papel importante en la solución de los sistemas de conversión de energía. A medida que los convertidores aumentan la densidad de potencia y reducen la pérdida de conmutación, estos sistemas pueden manejar el aumento del rango de tensión de la batería... El sistema de conversión de energía también permite a las baterías gestionar mejor las fluctuaciones de potencia de los sistemas de generación distribuida, lo que permite un funcionamiento inteligente y flexible de la red a tensiones más altas y más amplias.

En última instancia, los dispositivos solares pueden imitar las baterías utilizadas en los vehículos eléctricos. La idea de reciclar las baterías que se utilizan actualmente en los vehículos eléctricos como red eléctrica para conectar el SEE se está volviendo cada vez más común.

5. Materiales de banda ancha necesarios para una convección eficiente y natural

Con el fin de construir un sistema de almacenamiento inteligente montado en la pared, es necesario diseñar un inversor que utilice el enfriamiento convectivo natural mínimo para optimizar la disipación de calor. La arquitectura de energía distribuida permite la concentración y distribución de calor en todo el sistema. Esta estructura garantiza que el inversor de almacenamiento de energía necesario pueda manejar el alto nivel de corriente bajo diferentes tensiones y responder de manera fiable a los transitorios de carga que cambian rápidamente.

Este tipo de sistema debe soportar interruptores de alta velocidad y proporcionar un controlador de puerta protegido a frecuencias de conmutación de 100 kHz a 400 kHz. Si la velocidad de conmutación no es lo suficientemente rápida, encontrará que la eficiencia de la fase de conversión de energía se reduce significativamente.

Aquí es donde funcionan los interruptores rápidos y los materiales de brecha de banda ancha de alta densidad de potencia, como SIC y Gan. Estos dispositivos semiconductores ayudan a diseñar sistemas que no requieren refrigeración por ventilador. El dispositivo lmg3425r030 Gan con accionamiento y protección incorporados tiene una forma compacta, alta densidad de potencia y capacidad de conmutación rápida.

El controlador de puerta convierte la señal digital PWM del controlador en la corriente necesaria para sic o FET Gan. El controlador basado en PWM permite el muestreo preciso de tensión y corriente en múltiples etapas de conversión de potencia.

Figura 3. El diseño de referencia del tótem Gan CCM utiliza el control digital, el uso de C2000 Microcontrolador en tiempo real y el controlador de puerta incorporado y la función de protección del dispositivo Gan de conmutación rápida.

6. Detección de corriente y tensión

El diseño de la fuente de alimentación de conmutación de alta frecuencia se enfrenta al desafío de la detección precisa de corriente y tensión. La medición de la corriente con un divisor no sólo mejora la precisión, sino que también acelera el tiempo de reacción, lo que le permite reaccionar rápidamente a cualquier cambio en la red para apagar la conexión del sistema cuando la red está en cortocircuito o desconectada. Aumento.

La medición de la corriente es muy importante para el diseño centrado en el inversor, ya que el algoritmo de control requiere el control de la detección de la corriente. Algunos diseños se pueden utilizar para medir la corriente de aislamiento utilizando amplificadores / moduladores y fuentes de alimentación aisladas de los divisores externos.

El convertidor de Potencia debe medir la corriente en la red para ver si la corriente está en la misma fase que el voltaje. Al medir la corriente y el voltaje, además de controlar la corriente de carga de la batería, también controla el funcionamiento del inversor y la función de protección contra sobrecargas.

7. Resumen

Se espera que el inversor híbrido que realiza la conversión de energía bidireccional entre AC / DC y DC / DC reemplace al inversor solar tradicional en los próximos años. Los diseñadores de inversores solares podrán utilizar inversores híbridos para lograr una amplia gama de conversión de potencia y tensión.

El aumento de la tensión de la batería y la ampliación del rango de tensión son problemas importantes para el inversor solar compatible con el almacenamiento de energía. El controlador de puerta incorporado, el control de microcomputadoras protectoras, los semiconductores de banda ancha y otros componentes básicos, además de la necesidad de alta eficiencia y convección natural, también pueden soportar un voltaje de batería más alto y más amplio.