ILsistema di conversione della potenza(PCS) è l'interfaccia tra la batteria e la rete elettrica o il carico CA. Non solo determina la qualità dell'energia e le caratteristiche dinamiche dell'output del sistema di accumulo dell'energia della batteria, ma ha anche un impatto significativo sulla sicurezza e sulla durata della batteria. In base alla topologia del circuito e alla configurazione del trasformatore, i tipi base di PCS possono essere suddivisi in tipo di alimentazione-aumento di frequenza-e tipo di connessione diretta-alta tensione-, come mostrato nella figura.
Attualmente, il livello di tensione dei cluster di batterie convenzionali non supera i 1500 V ed esiste un certo intervallo di fluttuazione a seconda dello stato di carica (SOC). Pertanto, per adattarsi ai requisiti di tensione di diverse reti elettriche o carichi, un trasformatore di frequenza di rete viene spesso configurato sul lato CA del PCS (Power Conversion System). Ciò non solo consente di aumentare o regolare la tensione CA, ma consente anche la creazione di un sistema tri-a quattro-fili in sistemi off-della rete per alimentare carichi monofase-. Inoltre, migliora la protezione e l'eliminazione della compatibilità elettromagnetica del sistema di accumulo dell'energia.
In base al numero di stadi, i PCS di tipo step-up della frequenza di alimentazione possono essere suddivisi in topologie a stadio singolo-e doppio-stadio.
Il PCS a stadio singolo-di incremento della frequenza-up-offre un'elevata efficienza e una struttura semplice; tuttavia, soffre di una bassa capacità della batteria e di una flessibilità limitata nella selezione della tensione. Inoltre, un guasto da corto-circuito sul lato CC del PCS può facilmente portare a un notevole aumento di corrente nel pacco batteria, comportando un rischio significativo. I PCS a stadio singolo- possono anche essere classificati in sistemi a due-livelli, tre-livelli o multi-livello in base al livello di tensione di uscita. All'aumentare del numero di livelli, il livello di tensione CC e la qualità della potenza in uscita del PCS possono essere ulteriormente migliorati, come mostrato nella figura.
Il PCS a due-stadi di tipo-frequenza boost-, come mostrato nella Figura 2-22, è configurato con un convertitore CC/CC bidirezionale sul terminale di ingresso della batteria, che aumenta la capacità del pacco batteria e migliora la flessibilità della selezione della tensione e può ottenere il controllo indipendente di più pacchi batteria. Tuttavia, ha un costo elevato, un controllo relativamente complesso e una bassa efficienza. In base alle diverse strutture del convertitore CC/CC, i PCS a due-stadi possono essere suddivisi in tipi non-isolati e isolati. Il PCS isolato a due stadi-può migliorare ulteriormente il rapporto di trasformazione della tensione e ha una più ampia adattabilità della tensione della batteria, ma la progettazione di un convertitore CC/CC bidirezionale-di grande capacità isolato-con rapporto di boost elevato presenta sfide tecniche significative. Le difficoltà principali includono la progettazione del trasformatore ad alta-tensione, l'isolamento del sistema, la commutazione graduale con sfasamento o risonanza in serie e la progettazione ad alta densità di potenza.
Per le batterie agli ioni di litio-, comunemente utilizzate nei sistemi di accumulo di energia-di grande capacità, la tensione di uscita non varia in modo significativo quando lo stato di carica (SOC) è compreso tra il 15% e l'85%. Pertanto, la maggior parte dei sistemi di accumulo di energia ad alta capacità attualmente utilizzati nel mio paese utilizzano un sistema di conversione dell'energia a stadio singolo (PCS). Tuttavia, man mano che la tensione CC si avvicina a 1500 V, verranno adottate sempre più spesso strutture topologiche a tre livelli. Un sistema di accumulo dell’energia tramite batteria da 1500 V riduce l’ingombro richiesto e l’uso di apparecchiature elettriche come quadri elettrici e cavi CC, abbassando così in una certa misura i costi del sistema. Tuttavia, a causa della breve distanza tra la batteria e il PCS, non offre la riduzione significativa delle perdite di trasmissione CC osservata negli impianti fotovoltaici su larga scala. Inoltre, impone requisiti di prestazioni più elevati a componenti come interruttori automatici CC bidirezionali e contattori CC bidirezionali. La progettazione della sicurezza elettrica e della protezione del circuito CC rappresenta una sfida fondamentale nell'implementazione di questo sistema.
Per consentire l'applicazione di centrali elettriche di accumulo di energia a batteria su-larga-scala ed evitare la connessione in parallelo di troppi pacchi batteria, nonché per evitare le perdite causate dai trasformatori di frequenza di alimentazione e ridurre i costi, i PCS collegati direttamente-ad alta tensione con una struttura modulare a cascata sono diventati un'importante direzione di ricerca. Analogamente al PCS step-up a frequenza di alimentazione, anche i PCS collegati direttamente-ad alta tensione possono essere suddivisi in topologie a stadio singolo-e a due{9}}stadi in base al numero di stadi di conversione dell'alimentazione.
Il PCS monostadio-in cascata può emettere alta tensione senza un trasformatore di frequenza di alimentazione, collegandosi direttamente alla rete elettrica ad alta-tensione, rendendolo adatto per la costruzione di sistemi di accumulo di energia su-grande-scala. La struttura a cascata raggiunge un'uscita multi-livello, garantendo basse armoniche della tensione di uscita anche con basse frequenze di commutazione nei singoli moduli, riducendo così le perdite di commutazione. Tuttavia, il PCS monostadio- in cascata richiede un isolamento reciproco sul lato CC, con conseguente stress di isolamento elevato per basse tensioni di uscita, che richiede una progettazione speciale. Esistono percorsi di corrente di modo comune-tra ciascun pacco batteria e terra, che richiedono soluzioni per la soppressione della corrente di modo comune-.
Le correnti di carica e scarica delle batterie contengono un'ondulazione della seconda-armonica, che influisce negativamente sul percorso della corrente della batteria e aumenta i costi. I PCS a stadio singolo-in cascata possono essere principalmente suddivisi in tipi a cascata H-bridge e convertitori multilivello modulari (MMC), come mostrato nella figura.
Nel complesso, il PCS (Power Conversion System) con connessione diretta ad alta-tensione{1}}è una soluzione chiave per affrontare le sfide di sicurezza ed efficienza poste dalla capacità ultra-grande dei sistemi di accumulo dell'energia. Tuttavia, impone elevati requisiti di isolamento sia al pacco batteria che al convertitore CC/CC isolato, il che ne limita l'adozione e l'applicazione diffusa. Inoltre, ci sono sfide nell'impilamento concentrato, nel collegamento elettrico e nella progettazione di sicurezza dei sistemi di batterie di capacità ultra-grande.