エネルギー貯蔵バッテリー機器を太陽光発電グリッドに追加する際の 4 つの設計上の考慮事項

太陽光発電 (PV) 施設の数が増え続ける一方で、ソーラー グリッドの供給側と需要側の間の不均衡が大きな制約となっています。 日中は十分な太陽エネルギーを利用できますが、需要はそれほど多くありません。 つまり、消費者は朝と夕方の使用量のピーク時にワットあたりの料金が高くなります。

住宅、商用、および公共施設のソーラー デバイス用のエネルギー貯蔵システム (ESS) は、インバーターを使用して、需要が最も低い日中に電力またはグリッドを貯蔵し、需要が非常に大きいときに貯蔵して、生成されたエネルギーを放出します。 電力網に接続されたソーラー システムに ESS を追加すると、ユーザーは「ピーク シェービング」と呼ばれる技術を使用して費用を節約できます。

  双方向電力変換

従来の PV 機器は単方向の DC/AC および DC/DC パワー ステージで構成されていますが、単方向の変換方法が ESS の組み込みの大きな障害となっています。 より多くのコンポーネント、モジュール、およびサブシステムが必要であり、そのすべてが既存のソーラー設備に ESS を追加するコストを大幅に増加させます。

既存の PV デバイスにバッテリを追加するには、バッテリの充電と放電の 2 つの経路を組み合わせて、力率補正 (PFC) とインバータの電力レベルで構成される単一の経路にする必要があります。 . しかし、2 つの単方向パワー コンバーターではなく、双方向パワー コンバーターを構築するにはどうすればよいでしょうか。

 ハイブリッド インバーターは、変換段階の効率を効果的に向上させることができますが、この効率の向上は、複数の電力変換を実行する ESS を装備したマイクログリッドにとってより重要です。 電力コンバータ システムは、DC/DC 変換を管理してバッテリを充電および放電します。 また、DC/AC および AC/DC 変換も管理します。これは、バッテリに蓄えられた直流をグリッドからの流入と流出の両方のために交流に変換します。

  高電圧バッテリー

蓄電池を備えたマイクログリッドシステムでは、蓄電池の主な機能は、太陽光発電エネルギーを蓄え、オンデマンドでグリッドに電力を供給することです。 リチウムイオン電池は、鉛蓄電池よりもユニットあたりの蓄電容量が大幅に高くなっています。

電気自動車 (EV) では 400V バッテリーの人気が高まっていますが、ソーラー グリッド デバイスでもバッテリー電圧が 48V から上昇しています。 しかし、400V バッテリ パックの電力変換をどのように管理するのでしょうか?

ESS を大規模システムに組み込むシステム制御および通信機能を備えたマイクロコンピュータに加えて、低損失で効率的な電源スイッチも、エネルギー貯蔵システムの安全性と信頼性を向上させます。 コンパクトな電源スイッチと炭化ケイ素 (SiC) および窒化ガリウム (GaN) 材料に基づくリアルタイム マイクロコンピュータにより、さまざまな DC エネルギー貯蔵ユニットに対応するように双方向コンバータを変更できます。

  デュアル アクティブ ブリッジ DC/DC コンバータの設計

SiC や GaN などのワイドバンド ギャップ半導体は、コンバータが電力密度を高め、スイッチング損失を低減するため、上昇するバッテリ電圧範囲を処理できる電力変換システムを解決する上で重要な役割を果たします。 . また、電力変換システムにより、バッテリ パックは分散型発電システムの電力変動をより適切に管理できるようになり、より高い電圧とより広い電圧でのスマートで回復力のあるグリッド操作が可能になります。

最終的に、ソーラー デバイスは、電気自動車で使用されるバッテリー パックを模倣する可能性があります。 現在、電気自動車で使用されているバッテリーパックを系統連系ESSとしてリサイクルするという考えが一般的になりつつあります。

  効率と自然対流に必要なワイドバンドギャップ材料

インテリジェントな壁掛けストレージ システムを構築するには、最小限の自然対流冷却を使用して熱放散を最適化するインバータを設計する必要があります。 分散型電源アーキテクチャにより、熱をシステム全体に集中的に分散させることができます。 このアーキテクチャにより、必要なエネルギー貯蔵インバーターがさまざまな電圧で高電流レベルを処理し、急速に変化する負荷過渡に確実に対応できることが保証されます。

このようなシステムには、高速スイッチングをサポートし、100kHz ～ 400kHz のスイッチング周波数で保護を提供するゲート ドライバが必要です。 スイッチング速度が十分に速くない場合、電力変換フェーズの効率が大幅に低下することがわかります。

ここで、SiC や GaN などの高速スイッチングと高電力密度を備えたワイドバンド ギャップ材料が登場します。これらの半導体デバイスは、ファン冷却を必要としないシステムの設計を容易にします。 ドライバと保護機能を内蔵した LMG3425R030 GaN デバイスは、コンパクトなプロファイル、高電力密度、高速スイッチングを特長としています。

ゲート ドライバは、コントローラのデジタル PWM 信号を、SiC または GaN 電界効果トランジスタ (FET) が必要とする電流に変換します。 PWM ベースのコントローラにより、複数の電力変換段階で電圧と電流を正確にサンプリングできます。

  電流と電圧の検出

高周波スイッチング電源の設計は、電流と電圧を正確に検出するという課題に直面しています。 シャントを使用した電流測定は、精度を向上させるだけでなく、応答時間を短縮し、グリッドの変化に迅速に対応できるようにするため、グリッドが短絡または切断された場合にシステム接続をシャットダウンできます。 増加した。

制御アルゴリズムには制御用の蛍光測定が必要なため、インバータ中心の設計には電流測定が不可欠です。 外部シャントから絶縁された増幅器/変調器と電源を使用した絶縁電流測定に使用できる設計ソリューションがいくつかあります。

電力変換器は、グリッド内の電流を測定して、電流が電圧と同相であるかどうかを確認する必要があります。 電流と電圧を測定することで、バッテリーの充電電流を制御するほか、インバーターの動作や過負荷保護機能も制御します。

  結論

AC/DC と DC/DC の間で双方向の電力変換を行うハイブリッド インバーターは、今後数年間で従来のソーラー インバーターに取って代わると予想されます。 ソーラー インバーターの設計者は、ハイブリッド インバーターを使用することで、広い出力電力と電圧範囲で電力変換を実現できます。

蓄電対応ソーラーパワーコンディショナにとって、電池電圧の上昇と電圧範囲の拡大は重要な課題です。 高効率と自然対流の必要性に加えて、マイクロコンピュータ制御や、ゲート ドライバと保護機能を内蔵したワイド バンドギャップ半導体などの重要なコンポーネントにより、これらの高くて広いセル電圧に対応できます。