Photovoltaik-(PV)-Energiespeicher- und Ladeintegrationssysteme sind umfassende Energielösungen, die Solarstromerzeugung, Energiespeicherung und das Aufladen von Elektrofahrzeugen kombinieren. Diese innovativen Systeme steigern die Energieeffizienz, gleichen Netzlasten aus und reagieren schnell auf plötzlichen Strombedarf. Das Herzstück dieser integrierten Systeme ist eine kritische Komponente, das Power Conversion System (PCS) oder der Energiespeicher-Wechselrichter.
Was genau ist ein PCS und wie funktioniert es? Lassen Sie uns eintauchen und diese bahnbrechende Technologie erkunden.
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PCS 101: Die Grundlagen
Ein Leistungsumwandlungssystem (Power Conversion System -PCS) ist im Wesentlichen die Brücke zwischen dem Batteriesystem und dem Netz (und/oder der Last) in einem elektrochemischen Energiespeichersystem. Seine Hauptaufgabe besteht darin, die Umwandlung von elektrischer Energie in beide Richtungen zu ermöglichen.
Wenn die Batterie entladen wird, wandelt das PCS den Gleichstrom (DC) der Batterie in Wechselstrom (AC) um, der mit dem Netz oder der Last kompatibel ist. Wenn die Batterie geladen wird, wandelt es den Wechselstrom aus dem Netz in Gleichstrom um, der in der Batterie gespeichert werden kann. Ziemlich raffiniert, oder?
Das PCS besteht aus einem bidirektionalen DC/AC-Wechselrichter und einer Steuereinheit. Die Steuereinheit empfängt Befehle vom Back-End-System über Kommunikation und steuert den Wechselrichter, um die Batterie je nach Vorzeichen und Größe des Leistungsbefehls zu laden oder zu entladen. Dadurch kann das PCS die Wirk- und Blindleistung des Netzes regeln.
| Produkt-Spezifikation | Produkt-Spezifikation | 100 KW | Bemerkungen |
| DC-Seite | Spannungsbereich (V) | 615~900(3P3L)/680~900(3P4L) | |
| Eingangskanäle | 1 | ||
| Maximaler Strom (A) | 150 | ||
| AC-Seite (netzgekoppelt) | Spannungsbereich/Nennspannung (V) | 320~460/400 | |
| Frequenzbereich (Hz) | 50/60±5 | Anpassungsfähig | |
| Verdrahtungsmethode | 3P3W/3P4W | ||
| Nennleistung (KW) | 100 | ||
| Maximale Leistung (kW) | 110 | ||
| Nennstrom (A) | 145 | ||
| Leistungsfaktor | 0.99 | ||
| Bereich der Leistungsfaktoranpassung | 1 (Führend) ~ 1 (Nachzügler) | ||
| Aktuelle Verzerrungsrate (KW) | <3% | Nennleistung | |
| DC-Komponente | 0.50% | ||
| Überlastbarkeit | 110% | Langfristig | |
| Maximaler Entladungswirkungsgrad | >98.2% | ||
| Nennausgangsspannung (V) | 400 | ||
| AC-Seite (netzunabhängig, erfordert zusätzliches Spannungsausgleichsmodul) | Oberschwingungen der Wechselspannung | <3% | Lineare Belastung |
| Frequenz (Hz) | 50±5 | ||
| AC-Ausgangsleistung (KW) | 100 |
PCS-Topologien: Einstufig vs. Zweistufig
PCS-Topologien lassen sich grob in einstufige und zweistufige Strukturen einteilen. Lassen Sie uns diese aufschlüsseln:
1. Einstufige Struktur
Ein einstufiges PCS besteht aus nur einer DC/AC-Stufe (einem PWM-Wechselrichter). Beim Entladen wird die in der Batterie gespeicherte Gleichstromenergie durch den PWM-Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und ins Netz zurückgespeist. Beim Laden wird der Wechselstrom des Netzes durch den Wechselrichter in Gleichstrom umgewandelt und in der Batterie gespeichert.
Vorteile:
- Hohe Effizienz
- Einfache Struktur
- Geringe Verluste
- Einfache Kontrolle
Nachteile:
- Weniger Flexibilität bei der Kapazitätskonfiguration
- Enger Betriebsspannungsbereich der Batterie
2. Zweistufige Struktur
Ein zweistufiges Energieumwandlungssystem (Power Conversion System -PCS) verfügt sowohl über einen DC/DC-Wandler als auch über einen PWM-Wechselrichter. Beim Entladen wird der Gleichstrom der Batterie zunächst durch den DC/DC-Wandler verstärkt, bevor er durch den PWM-Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und ins Netz eingespeist wird. Während des Ladevorgangs wird der Wechselstrom des Netzes durch den PWM-Wechselrichter zu Gleichstrom gleichgerichtet, dann senkt der DC/DC-Wandler die Spannung, um die Batterie zu laden.
Vorteile:
- Anschlussmöglichkeit für mehrere Akkupacks
- Unabhängige Lade-/Entladesteuerung jedes Akkus über separate DC/DC-Stufen
- Großer Betriebsspannungsbereich der Batterie
- Keine zirkulierenden Ströme zwischen den Paketen
- Leichtere Betriebsführung
Nachteile:
- Höhere Systemverluste
- Geringere Gesamteffizienz
- Komplexer mit vielen DC/DC-Wandlern
- Erfordert enge Koordination zwischen zwei Wechselrichtern
- Schwierigere Kontrolle und geringere Zuverlässigkeit
Für Batteriezellen in Reihen- oder Parallel-Reihen-Konfigurationen ist ein einstufiger Wechselrichter besser geeignet. Bei seriell-parallelen Batteriegruppen wird häufig ein zweistufiges Design verwendet, bei dem jede in Reihe geschaltete Batteriegruppe an einen bidirektionalen DC/DC-Wandler angeschlossen wird, der dann an den DC-Zwischenkreis eines zentralen DC/AC-Wechselrichters angeschlossen wird, der die Schnittstelle zum Netz bildet.
PCS-Spannungsebenen: Zwei-Niveau vs. Drei-Niveau
Power Conversion System -PCS-Topologien können auch nach Spannungsebenen in Zwei-Ebenen- und Mehr-Ebenen- (in der Regel Drei-Ebenen-) Schaltungstopologien unterteilt werden.
Zweistufenschaltungen sind die klassische dreiphasige Brückenstruktur. Dreistufige Schaltungen werden dagegen häufiger in Hochspannungsanwendungen eingesetzt. Durch Hinzufügen einer Verlagerungsspannung erhöhen sie die Spannungsausnutzung, reduzieren Oberschwingungen, verbessern die Spannungsqualität, verringern die Filtergröße, senken die Schaltfrequenz und steigern so die Systemeffizienz.
1. Zweistufige Schaltungen
Bei einer zweistufigen PCS-Topologie schaltet die Ausgangsspannungswellenform des DC/AC-Wechselrichters zwischen zwei verschiedenen Stufen um, um eine Leistungsumwandlung und -steuerung zu erreichen.
Merkmale:
- Vereinfachtes Design mit leistungselektronischen Schaltern (IGBTs)
- Hohe Effizienz bei Nieder- und Mittelspannungsanwendungen
- Weit verbreitet aufgrund der einfachen Struktur und der niedrigen Kosten
Prinzip:
Wenn der Schalter eingeschaltet ist, erreicht die Ausgangsspannung einen hohen Pegel (+Ud). Wenn der Schalter ausgeschaltet ist, sinkt die Ausgangsspannung auf einen niedrigen Wert (-Ud oder 0 V). Durch Einstellung der Schaltfrequenz und des Tastverhältnisses können die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom gesteuert werden.
Vorteile:
- Einfache Struktur, leichte Implementierung und Kontrolle
- Geringe Kosten, geeignet für die Massenproduktion
- Hohe Effizienz und Zuverlässigkeit bei Nieder-/Mittelspannung
Nachteile:
- Relativ schlechte Qualität der Ausgangswellenform, hohe Oberwellen
- Erfordert hohe Schaltfrequenz zur Verbesserung der Wellenform
- Hochspannungsanwendungen erfordern Reihen-/Parallelschaltungen der Geräte
Die klassische dreiphasige Zweistufen-Brückenschaltung ist in der Abbildung dargestellt. Dieser PWM-Gleichrichter ist in der Industrie bereits weit verbreitet. Durch die Steuerung des Leitens und Abschaltens von IGBT-Leistungsbauelementen hat die Phasenwechselspannung zwei Niveaus von +Ud und -Ud. Die Qualität der Wellenform dieser zweistufigen Phasenspannung ist jedoch nicht gut. Um die Spannungswellenform zu verbessern, muss die Schaltfrequenz erhöht werden, was jedoch zu erhöhten Schaltverlusten führt und den Gesamtwirkungsgrad des Wechselrichters verringert.
2. Dreistufige Schaltungen
Bei Hochspannungsanwendungen sind Multi-Level-Topologien, insbesondere Drei-Level-Schaltungen, aufgrund ihrer Einfachheit und Praktikabilität im Vergleich zu Zwei-Level-Schaltungen weiter verbreitet. Dreistufige Schaltungen haben einen zusätzlichen Sternpunkt 0 Spannung.
Merkmale:
- Mehrstufiger Ausgang mit positiven, Null- und negativen Pegeln
- Verbesserte Ausgangswellenform, die näher an der Sinuskurve liegt, weniger Oberwellen
- Höherer Wirkungsgrad bei Anwendungen mit hoher Spannung und hoher Leistung
- Geringere EMI durch reduzierte Schaltfrequenz, bessere EMC
Prinzip:
Die Gleichspannung wird in drei Stufen aufgeteilt. Durch PWM-Modulation wird eine kontinuierlich einstellbare Ausgangsspannung erreicht. Wenn die Schalter ihren Zustand ändern, durchläuft der Ausgang zyklisch die drei Spannungsstufen und kann so präzise gesteuert werden.
Bestandteile:
- Hauptstromversorgung: DC-HV-Relais, Vorladeschaltung, DC-Sicherung, Buskondensator, IGBT-Leistungsmodule, LC-Filter, AC-Sicherung, AC-Unterbrecher, usw.
- Signalerfassung: Hochpräzise Spannungs-/Strommessung, Signalverarbeitung, Fehlererkennung
- Steuerung: Hochleistungsprozessor für Abtastung, Berechnung, Steuerung, Fehlerbeurteilung, Schutz, Kommunikation
- Treiber: IGBT-Treiber für optimales Schalten, Überstrom-/Temperaturerkennung
- Überwachung: LCD-Touchscreen-HMI, Kommunikationsschnittstellen
- Hilfsstromversorgung für das Steuersystem
Vorteile:
- Geringe harmonische Verzerrung, hohe Qualität der Ausgangswellenform
- Geringere EMI durch niedrigere Schaltfrequenz
- Geringere Spannungsbelastung der Schalter, längere Lebensdauer, höhere Zuverlässigkeit
- Geeignet für Anwendungen mit hoher Leistung und besserer Verlustkontrolle und Stabilität
Nachteile:
- Komplexere Steuerung, die höhere Präzision und Rechenleistung erfordert
- Höhere Hardwarekosten aufgrund von mehr Schaltern und Schaltkreisen
- Etwas geringere Effizienz als bei zweistufigen Systemen unter bestimmten Bedingungen, insbesondere bei geringer Last
Am Beispiel der diodengeklemmten NPC-Dreistufentopologie (Abbildung unten) wird der Zwischenkreiskondensator durch C1 und C2 gebildet. Jede Brücke hat 4 IGBTs, 4 Freilaufdioden und 2 Klemmdioden. Die Klemmdioden sorgen dafür, dass die beiden IGBTs die gleiche Spannung vertragen. Der Mittelpunkt des Kondensators ist mit dem Mittelpunkt der Klemmdioden jeder Phase verbunden, so dass die Spannung des Kondensatormittelpunkts einen Nullpegel ausgibt. Dadurch kann jede Phasenspannung drei Pegel haben: +Ud/2, -Ud/2 und 0.
Die Zukunft ist hell
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Was ist ein Energieumwandlungssystem (PCS)?
Ein Leistungsumwandlungssystem (Power Conversion System, PCS) ist eine entscheidende Komponente in photovoltaischen Energiespeicher- und Ladesystemen. Es fungiert als Brücke zwischen dem Batteriesystem und dem Netz oder der Last und ermöglicht die bidirektionale Umwandlung von elektrischer Energie zwischen Gleich- und Wechselstrom.
Wie funktioniert eine PCS?
Ein PCS besteht aus einem bidirektionalen DC/AC-Wechselrichter und einer Steuereinheit. Wenn die Batterie entladen wird, wandelt das PCS den Gleichstrom der Batterie in netzkompatiblen Wechselstrom um. Beim Laden wandelt es den Wechselstrom aus dem Netz in Gleichstrom um, der in der Batterie gespeichert wird. Die Steuereinheit steuert den Wechselrichter auf der Grundlage von Leistungsbefehlen, um den Netzstromfluss zu regulieren.
Was sind die wichtigsten PCS-Topologien?
Die beiden wichtigsten PCS-Topologien sind einstufig und zweistufig. Das einstufige System hat nur einen DC/AC-Wechselrichter, während das zweistufige System sowohl einen DC/DC-Wandler als auch einen DC/AC-Wechselrichter hat. Das einstufige System ist einfacher und effizienter, während das zweistufige System mehr Flexibilität und einen größeren Batteriespannungsbereich bietet.
Was ist der Unterschied zwischen zweistufigen und dreistufigen PCS-Schaltungen?
Zweistufige PCS-Schaltungen schalten die Ausgangsspannung zwischen zwei Stufen um, während dreistufige Schaltungen einen zusätzlichen Neutralpunkt haben, der drei Ausgangsspannungsstufen ermöglicht. Dreistufige Schaltungen bieten eine bessere Qualität der Ausgangswellenform, geringere Oberschwingungen, einen höheren Wirkungsgrad bei Hochspannungsanwendungen und eine geringere elektromagnetische Beeinflussung (EMI), sind aber im Vergleich zu zweistufigen Schaltungen komplexer in der Steuerung und teurer.
Welche Vorteile bietet die Integration von PV-Energiespeichern und Ladestationen?
Die Integration von PV-Energiespeichern und EV-Ladestationen bietet zahlreiche Vorteile, darunter eine höhere Energieeffizienz, ausgeglichene Netzlasten, schnelle Reaktion auf plötzlichen Strombedarf, geringere Kosten und mehr Nachhaltigkeit. Die PCS-Technologie ist der Schlüssel zur Ermöglichung dieser intelligenten integrierten Energiesysteme.
