Akkuihin voidaan varastoida uusiutuvista lähteistä, kuten auringosta ja tuulesta tuotettua energiaa huippuaikoina, jolloin energiaa voidaan käyttää silloin, kun ympäristöolosuhteet ovat epäsuotuisat energiantuotannon kannalta. Yksi varastoinnin suorituskykyä parantava tekniikka on piikarbidi eli SiC.

Tässä artikkelissa tarkastellaan asuin- ja kaupallisten akkuenergian varastointijärjestelmien (BESS, battery energy storage systems) topologioita ennen kuin esittelemme onsemin EliteSiC-ratkaisuja, jotka voivat parantaa BESS:n suorituskykyä silikoni-MOSFET- tai IGBT-kytkimien tilalle.

Kuva 1: Akkutallennusjärjestelmän toteutuksen yleiskuva.

Energian varastoinnin edut

Neljä yleisimmin käytettyä energian varastointimenetelmää ovat sähkökemiallinen, kemiallinen, lämpö ja mekaaninen. cakut, joka on tunnetuin sähkökemiallinen varastointijärjestelmä, ovat tehotiheydeltään ja energiatehokkuudeltaan korkeita, kooltaan kompanteja ja modulaarisia. Lisäksi kyse on kypsästä akkutekniikasta, mikä tekee siitä luotettavan ja edullisen. Litiumioniakkujen jatkuvasti laskeva hinta lisää niiden käyttöä energian varastointijärjestelmissä. Verkkoon liitettynä tai ei, aurinkoinvertterijärjestelmien käyttö yhdessä akkuvaraston kanssa tarjoaa monia etuja koti- ja yrityskäyttäjille. Näitä ovat:

• Hinnoittelu: energian varastointi alentaa sähkökustannuksia, kun sähkön tuottajien hinta on korkeampi.
• Omavaraisuus: energian varastointi vähentää (tai poistaa) riippuvuutta verkosta.
• Varavirtalähde: varastoitu sähkö tarjoaa vaihtoehdon verkkovirtakatkon sattuessa.

Varastointijärjestelmä sisältää tyypillisesti neljä päärakennusosaa:

• Ladattava akkumoduuli koostuu telineeseen asennetuista akkukennoista, joiden nimellisjännite on 50 V - yli 1000 V.
• Akunhallintajärjestelmä (BMS) suojaa ja hallitsee ladattavia akkuja varmistaen, että ne toimivat turvallisten käyttöparametrien sisällä.
• Virranmuunnosjärjestelmä (PCS) yhdistää akun verkkoon ja kuormaan ja on merkittävä tekijä järjestelmän kustannusten, koon ja yleisen suorituskyvyn suhteen.
• Energianhallintajärjestelmä (EMS) on ohjelmisto valvoo, ohjaa ja optimoi tuotanto- tai siirtojärjestelmää.

Asuinalueen akkuvarasto

Varastojen kanssa käytetyt tehonmuunnosjärjestelmät luokitellaan sen mukaan, miten ne kytkevät energiaa (AC tai DC) ja myös tehotason mukaan (asuinalue tai kaupallinen). DC-kytketty järjestelmä tai hybridi-invertteri vaatii vain yhden tehonmuunnosvaiheen. Vaikka vaihtovirtaan kytketty energiavarasto on helppo päivittää olemassa oleviin aurinko- tai tuulijärjestelmiin, se vaatii ylimääräisen virranmuunnosvaiheen akun lataamiseksi ja purkamiseksi, ja siksi enemmän tehoa voidaan menettää. Esimerkiksi asuinrakennuksen sähkönmuuntojärjestelmä voidaan lisätä olemassa olevaan aurinkoinvertterijärjestelmään, jotta tuotettua energiaa voidaan käyttää vara-akun lataamiseen tai kodinkoneiden virransyöttöön.

Kuva 2. Asuinalueen AC- (vasemmalla) ja DC-kytkentäinen (oikealla) varasto.

Kaksisuuntainen DC-DC-muunnin yhdistää akun ja DC-linkin. Yksivaiheisen järjestelmän väyläjännite on yleensä alle 600 V, eikä lataus- ja purkausteho ylitä 10 kW. Tässä buck-boost-muunnin on yleisin kaksisuuntainen DC-DC-topologia, koska se vaatii vähemmän komponentteja ja on helppo hallita. Kaksi 650 V IGBT:tä tai MOSFETia rinnakkaisilla diodeilla riittää tämän tyyppiseen kaksisuuntaiseen järjestelmään. Esimerkiksi onsemin FGH4L75T65MQDC50 650 V FS4 IGBT integroidulla SiC-diodilla tarjoaa alhaiset johtavuus- ja kytkentähäviöt tässä sovelluksessa.

Kuva 3: Kaksisuuntaisen DC-DC:n buck-boost.

Eristäminen voi varmistaa akkuvaraston käyttäjien turvallisuuden, ja kaksoisaktiivinen siltamuunnin (DAB) tai CLLC-topologiat tarjoavat eristettyjä kaksisuuntaisia DC-DC-muunninratkaisuja alustoille. Kaskadikäyttöinen etupään buck-boost-piiri voi tarjota laajemman valikoiman tulo- ja lähtöjännitteitä, jos akun jännitteessä tapahtuu merkittävää vaihtelua. Tämä lähestymistapa alentaa myös loistehoa ja suurentaa pehmeän kytkentävyöhykkeen kokoa. Onsemin komponenteista 150 voltin NTP5D0N15MC N-kanavan mosfet (Shield Gate PowerTrench MOSFET) on ihanteellinen näille topologioille.

Kolmivaiheinen on vakiovirtalähde liike- ja liiketiloissa sekä kodeissa, joissa tehotarve on korkeampi. Kolmivaiheisten sovellusten tehokytkimien on kestettävä käyttöjännite ja virrat, jotka pystyvät toimittamaan jopa 15 kW:n ja korkeamman DC-välipiirin jännitteen kuin asuinrakennuksissa (jopa 1000 V). Tämä voidaan toteuttaa korvaamalla aiemmin tarkastelut 650 V kytkimet 1200 V laitteilla mahdollisesti osana kolmitasoista symmetristä buck-boost -topologiaa. Näin saadaan pienemmät kytkentähäviöt, koska vain puolet lähtöjännitteestä näkyy kytkimissä ja diodeissa. Tällä on myös se etu, että se vaatii pienempiä keloja ja parantaa EMI-suorituskykyä. Valitettavasti tämä lähestymistapa vaatii enemmän komponentteja, mikä lisää suunnittelun monimutkaisuutta, ohjausta ja järjestelmäkustannuksia.

Kaupalliset varastot

Kaupallisen energian varastointijärjestelmän syöttö- ja lähtötehoalue on tyypillisesti 100 kW ja 2 MW välillä. Nämä suuret laitokset voivat koostua useista kolmivaiheisista osajärjestelmistä, joiden teho vaihtelee kymmenistä kilowateista yli 100 kilowattiin. Näissä järjestelmissä kriittinen määritys on suurin DC-jännite, joka riippuu olemassa olevan aurinkojärjestelmän väyläjännitteestä tai akun jännitteestä. Tavallisten kaupallisten aurinkoinvertterien DC-väyläjännite on tyypillisesti 1100 V, mutta se voi olla jopa 1500 V sähkölaitosluokassa. Tietyllä tehotasolla DC-väylän jännitteen lisääminen vähentää virtaa ja siten alentaa liitäntäkaapelin kustannuksia.

AC-kytkentäisiä järjestelmiä käytetään yleisemmin kaupallisissa akkuvarastoissa, koska ne voidaan helposti lisätä olemassa olevaan suunnitteluihin. DC-kytkentäisissä järjestelmissä on suhteellisen korkeat vaatimukset sähköasennukselle erityisesti kaupallisissa tapauksissa, koska ne on kytkettävä DC-väylään, joka on yleensä alkuperäisen järjestelmän sisällä ja jolla on korkea jännite ja virta. Kolmitasoinen I-NPC on topologia, jota käytetään yleisesti invertterien kanssa suuritehoisissa teollisuussovelluksissa. Siinä on neljä kytkintä, neljä käänteisdiodia ja kaksi kuristindiodia, joiden läpilyöntijännite on pienempi kuin todellinen DC-välipiirin jännite. Näin 650 V kytkimet ovat riittävät 1100 V järjestelmässä.

Kuva 4: Kolmivaiheinen I-NPC -topologia.

Kolmitasoisten topologioiden käytöllä on useita etuja. Ensinnäkin niillä on pienemmät kytkentähäviöt (suhteessa kytkimiin ja diodeihin syötetyn jännitteen neliöön). Toiseksi niissä on pienempi virran aaltoilu (ripple) ja huipusta huippuun -jännite on puolet kokonaislähdöstä, mikä helpottaa suodatusta pienemmällä ja halvemmalla kelalla. Lopuksi johdettu EMI, joka liittyy virranaaltoiluun vähenee, samoin kuin säteilypäästöt. Päivitys A-NPC-topologiaan tarjoaa entistä paremman suorituskyvyn, koska se korvaa kaksi puristusdiodia kahdella pienemmän häviön aktiivisella kytkimellä. Tässä rakenteessa ajurien pariliitos ja viiveen sovitus ovat kuitenkin kriittisiä, mikä voi olla haitta joissakin sovelluksissa.

SiC-ratkaisut parantavat akuston suorituskykyä

SiC tarjoaa ylivoimaiset suorituskykyominaisuudet piihin verrattuna: leveämmän kaistaeron, suuremman läpilyöntikentän voimakkuuden ja korkeamman lämmönjohtavuuden. Nämä ominaisuudet mahdollistavat piikarbidi- eli SiC-laitteiden toiminnan korkeammilla taajuuksilla ilman, että lähtötehoa on laskettava induktorin koon kasvaessa. SiC:n käytön tehostaminen voi joissain tilanteissa mahdollistaa myös luonnollisen jäähdytyksen puhaltimen sijaan.

Onsemin 650 V NTH4L015N065SC1 ja NTBL045N065SC1 EliteSiC MOSFETit ovat erinomaisia valintoja piipohjaisten kytkimien korvaamiseen energian varastointijärjestelmäsovelluksissa, kun käytetään 1200 V NXH40B120MNQ0 (dual boost), NP2H40B120MNQ0 (half boost), NP2H40B120MNQ0 (half boost) ja NP2H40Pack10M-piirejä. Integroitu EliteSiC-moduuli voi tuottaa vielä suurempia tehotiheyksiä suuremmissa järjestelmissä. Onsemi tarjoaa myös useita muita komponentteja, mukaan lukien hilaohjaimet, virtatunnistinvahvistimet ja ethernetin MACPHY-ohjaimet, joita voidaan käyttää akkuvarastointisovelluksissa.