การวิเคราะห์แนวโน้มของเทคโนโลยีการบูรณาการสถานีไฟฟ้ากักเก็บพลังงานขนาดใหญ่

ระบบกักเก็บพลังงานไฟฟ้าเคมีประกอบด้วยสองส่วน ได้แก่ ด้าน DC และด้าน AC ด้าน DC คือคลังเก็บแบตเตอรี่ ซึ่งประกอบด้วยแบตเตอรี่ อุปกรณ์ควบคุมอุณหภูมิ ระบบป้องกันอัคคีภัย ตู้รวมสัญญาณ ตู้คอนเทนเนอร์ และอุปกรณ์อื่นๆ ส่วนด้าน AC คือคลังเก็บไฟฟ้า ซึ่งประกอบด้วยตัวแปลงพลังงาน หม้อแปลงไฟฟ้า ตู้คอนเทนเนอร์ ฯลฯ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างพลังงานไฟฟ้ากับระบบกักเก็บพลังงานจะเกิดขึ้นผ่านการแปลง AC เป็น DC ของตัวแปลง PCS

1. การจำแนกประเภทของระบบกักเก็บพลังงาน

ตามโครงสร้างไฟฟ้า ระบบกักเก็บพลังงานขนาดใหญ่สามารถแบ่งออกได้ดังนี้:

(1) ระบบกักเก็บพลังงานแบบรวมศูนย์: ระบบกักเก็บพลังงานแบบรวมศูนย์ที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าแบบแรงดันต่ำและกำลังไฟฟ้าสูง แบตเตอรี่หลายชุดเชื่อมต่อแบบขนานและเชื่อมต่อกับ PCS PCS มุ่งเน้นพลังงานสูงและประสิทธิภาพสูง ปัจจุบันกำลังส่งเสริมโซลูชัน 1500V

(2) การกระจาย: ระบบกักเก็บพลังงานแบบกระจายแรงดันต่ำและกำลังไฟต่ำที่เชื่อมต่อกับกริด โดยแต่ละคลัสเตอร์ของแบตเตอรี่จะเชื่อมต่อกับหน่วย PCS และ PCS จะใช้การจัดเรียงแบบกระจายกำลังไฟต่ำ

(3) ประเภทสตริงอัจฉริยะ: อิงตามสถาปัตยกรรมระบบจัดเก็บพลังงานแบบกระจาย เทคโนโลยีนวัตกรรม เช่น การเพิ่มประสิทธิภาพพลังงานในระดับโมดูลแบตเตอรี่ การควบคุมพลังงานคลัสเตอร์แบตเตอรี่เดี่ยว การจัดการอัจฉริยะแบบดิจิทัล และการออกแบบโมดูลาร์เต็มรูปแบบ ถูกนำมาใช้เพื่อให้การใช้ระบบจัดเก็บพลังงานมีประสิทธิภาพมากขึ้น

(4) ระบบกักเก็บพลังงานไฟฟ้าแรงสูงแบบเรียงซ้อน: อินเวอร์เตอร์แบตเตอรี่แบบคลัสเตอร์เดี่ยว เชื่อมต่อโดยตรงกับโครงข่ายไฟฟ้าที่มีระดับแรงดันไฟฟ้าสูงกว่า 6/10/35 กิโลโวลต์ โดยไม่ต้องใช้หม้อแปลงไฟฟ้า กำลังการผลิตไฟฟ้าต่อหน่วยเดียวสูงถึง 5 เมกะวัตต์/10 เมกะวัตต์ชั่วโมง

(5) ประเภทแบบกระจาย: สาขาต่างๆ หลายสาขาที่ด้าน DC เชื่อมต่อแบบขนาน มีการเพิ่มตัวแปลง DC/DC ที่เต้าเสียบคลัสเตอร์แบตเตอรี่เพื่อแยกคลัสเตอร์แบตเตอรี่ และตัวแปลง DC/DC จะเชื่อมต่อกับด้าน DC ของ PCS ส่วนกลางหลังจากการรวบรวม

2. การวนซ้ำของเส้นทางเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานมุ่งเน้นไปที่ความปลอดภัย ต้นทุน และประสิทธิภาพ

ความปลอดภัย ต้นทุน และประสิทธิภาพ คือประเด็นสำคัญที่จำเป็นต้องได้รับการแก้ไขในการพัฒนาระบบกักเก็บพลังงาน หัวใจสำคัญของการพัฒนาเทคโนโลยีการกักเก็บพลังงานคือการปรับปรุงความปลอดภัย ลดต้นทุน และเพิ่มประสิทธิภาพ

(1) ความปลอดภัย

ความปลอดภัยของโรงไฟฟ้าพลังงานกักเก็บพลังงานถือเป็นประเด็นสำคัญที่สุดในอุตสาหกรรม อันตรายด้านความปลอดภัยที่อาจเกิดขึ้นจากโรงไฟฟ้าพลังงานกักเก็บพลังงานไฟฟ้าเคมี ได้แก่ เพลิงไหม้จากไฟฟ้า เพลิงไหม้จากแบตเตอรี่ การระเบิดของไฮโดรเจนในกรณีเพลิงไหม้ ความผิดปกติของระบบ ฯลฯ การติดตามหาสาเหตุของปัญหาด้านความปลอดภัยของโรงไฟฟ้าพลังงานกักเก็บพลังงานมักเกิดจากปัญหาความร้อนสะสมของแบตเตอรี่ สาเหตุของปัญหาความร้อนสะสมประกอบด้วยการใช้งานที่ไม่เหมาะสมทางกลไก การใช้งานที่ไม่เหมาะสมทางไฟฟ้า และการใช้งานที่ไม่เหมาะสมทางความร้อน เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาด้านความปลอดภัย จำเป็นต้องตรวจสอบสถานะแบตเตอรี่อย่างเข้มงวดเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาความร้อนสะสม

(2) ประสิทธิภาพสูง

ความสม่ำเสมอของเซลล์เป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของระบบ ความสม่ำเสมอของแบตเตอรี่ขึ้นอยู่กับคุณภาพของแบตเตอรี่ โซลูชันเทคโนโลยีการกักเก็บพลังงาน และสภาพแวดล้อมการทำงานของแบตเตอรี่ เมื่อจำนวนรอบการทำงานของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้น ความแตกต่างระหว่างแบตเตอรี่จะค่อยๆ สะท้อนออกมา ความแตกต่างในสภาพแวดล้อมการทำงานจริงระหว่างการทำงานแบบซ้อนทับจะนำไปสู่ความแตกต่างที่รุนแรงขึ้นระหว่างแบตเตอรี่หลายก้อน และปัญหาความสม่ำเสมอนี้เป็นปัญหาที่เห็นได้ชัด ซึ่งก่อให้เกิดความท้าทายต่อการจัดการ BMS และอาจต้องเผชิญกับความท้าทายอื่นๆ ความเสี่ยงด้านความปลอดภัย ในการออกแบบและการดำเนินงานของโรงไฟฟ้ากักเก็บพลังงาน ควรปรับปรุงความสม่ำเสมอของแบตเตอรี่ให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของระบบ

(3) ต้นทุนต่ำ

ต้นทุนของระบบกักเก็บพลังงานขึ้นอยู่กับการลงทุนเริ่มต้นและอายุการใช้งาน อายุการใช้งานและการเสื่อมสภาพของวัสดุแบตเตอรี่ ระบบการชาร์จและคายประจุ อุณหภูมิการทำงานของแบตเตอรี่ และความสม่ำเสมอของโมโนเมอร์ ล้วนส่งผลต่ออายุการใช้งานของแบตเตอรี่ เมื่อความแตกต่างของอุณหภูมิภายในแบตเตอรี่สูงกว่า 10 องศา อายุการใช้งานของแบตเตอรี่จะลดลงมากกว่า 15% ความแตกต่างของอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นระหว่างโมดูลต่างๆ อาจทำให้อายุการใช้งานโดยรวมของระบบสั้นลงได้เช่นกัน ระบบกักเก็บพลังงานควรปรับปรุงอายุการใช้งานของระบบโดยการปรับปรุงวิธีการชาร์จและคายประจุ ลดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างระบบ และปรับปรุงความสม่ำเสมอของแบตเตอรี่

3. เส้นทางเทคโนโลยีบูรณาการการกักเก็บพลังงาน: โครงร่างโทโพโลยีจะวนซ้ำไปเรื่อยๆ

(1) โซลูชันแบบรวมศูนย์: 1500V แทน 1000V กลายเป็นเทรนด์

ด้วยการพัฒนาโรงไฟฟ้าพลังงานลมแบบรวมศูนย์และระบบกักเก็บพลังงานให้มีขนาดใหญ่ขึ้น แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงสูงจึงกลายเป็นโซลูชันทางเทคนิคหลักในการลดต้นทุนและเพิ่มประสิทธิภาพ และระบบกักเก็บพลังงานที่มีแรงดันไฟฟ้าด้านกระแสตรงเพิ่มขึ้นเป็น 1500 โวลต์ก็กำลังได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เมื่อเทียบกับระบบ 1000 โวลต์แบบเดิม ระบบ 1500 โวลต์นี้ช่วยเพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่ทนทานของสายเคเบิล โมดูลฮาร์ดแวร์ BMS, PCS และส่วนประกอบอื่นๆ จากไม่เกิน 1000 โวลต์ เป็นไม่เกิน 1500 โวลต์ โซลูชันทางเทคนิค 1500 โวลต์ของระบบกักเก็บพลังงานมาจากระบบโฟโตโวลตาอิก จากสถิติของ CPIA ในปี 2021 ส่วนแบ่งตลาดของระบบโฟโตโวลตาอิกในประเทศที่มีแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง 1500 โวลต์อยู่ที่ประมาณ 49.4% และคาดว่าจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องเป็นเกือบ 80% ในอนาคต ระบบกักเก็บพลังงาน 1500 โวลต์จะช่วยปรับปรุงความเข้ากันได้กับระบบโฟโตโวลตาอิก

ประสิทธิภาพของโซลูชันระบบกักเก็บพลังงาน 1500V ก็ดีขึ้นเช่นกันเมื่อเทียบกับโซลูชัน 1000V ยกตัวอย่างเช่นโซลูชันของ Sungrow เมื่อเปรียบเทียบกับระบบ 1000V ความหนาแน่นของพลังงานและความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าของระบบแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นมากกว่า 35% โรงไฟฟ้าที่มีกำลังการผลิตเท่ากันต้องการอุปกรณ์น้อยลง และต้นทุนของระบบแบตเตอรี่, PCS, BMS, สายเคเบิล และอุปกรณ์อื่นๆ ก็ลดลงอย่างมาก ต้นทุนการลงทุนด้านโครงสร้างพื้นฐานและที่ดินก็ลดลงไปพร้อมๆ กัน จากการประมาณการพบว่าเมื่อเทียบกับโซลูชันแบบดั้งเดิม ต้นทุนการลงทุนเริ่มต้นของระบบกักเก็บพลังงาน 1500V ลดลงมากกว่า 10% แต่ในขณะเดียวกัน เมื่อแรงดันไฟฟ้าของระบบกักเก็บพลังงาน 1500V เพิ่มขึ้น จำนวนแบตเตอรี่ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมก็เพิ่มขึ้น ทำให้การควบคุมความสม่ำเสมอของระบบทำได้ยากขึ้น และข้อกำหนดในการป้องกันและป้องกันความเสี่ยงจากอาร์ค DC และการออกแบบฉนวนไฟฟ้าก็สูงขึ้นเช่นกัน

(2) โซลูชันแบบกระจาย: ประสิทธิภาพสูงและโซลูชันที่สมบูรณ์

โซลูชันแบบกระจายนี้เรียกอีกอย่างว่าการเชื่อมต่อแบบขนานหลายสาขาที่ด้าน AC เมื่อเทียบกับโซลูชันทางเทคนิคแบบรวมศูนย์ โซลูชันแบบกระจายนี้จะแปลงการเชื่อมต่อแบบขนานของด้าน DC ของกลุ่มแบตเตอรี่เป็นการเชื่อมต่อแบบขนานของด้าน AC ผ่านอินเวอร์เตอร์สตริงแบบกระจาย ซึ่งหลีกเลี่ยงความเสี่ยงของการไหลเวียนแบบขนาน การสูญเสียความจุ และการเกิดอาร์ก DC ที่เกิดจากการเชื่อมต่อแบบขนานของด้าน DC และช่วยปรับปรุงการทำงาน ความปลอดภัย ในขณะเดียวกัน ความแม่นยำในการควบคุมก็เปลี่ยนจากกลุ่มแบตเตอรี่หลายกลุ่มเป็นกลุ่มแบตเตอรี่กลุ่มเดียว และประสิทธิภาพการควบคุมก็สูงขึ้น

สถานีพลังงานกักเก็บพลังงาน Huaneng Huangtai ของมณฑลซานตง เป็นสถานีพลังงานกักเก็บพลังงานขนาด 100 เมกะวัตต์แห่งแรกของโลกที่มีระบบควบคุมแบบกระจายศูนย์ สถานีพลังงานกักเก็บพลังงาน Huangtai ใช้แบตเตอรี่ CATL และระบบ PCS ของ Sineng Electric จากการประมาณการพบว่า หลังจากสถานีพลังงานกักเก็บพลังงานเริ่มดำเนินการ อัตราการใช้กำลังการผลิตแบตเตอรี่ของสถานีทั้งหมดจะสูงถึงประมาณ 92% ซึ่งสูงกว่าค่าเฉลี่ยของอุตสาหกรรมในปัจจุบันถึง 7 เปอร์เซ็นต์ นอกจากนี้ การควบคุมคลัสเตอร์แบตเตอรี่แบบกระจายศูนย์ยังช่วยให้สามารถปรับเทียบสถานะการชาร์จ (SOC) ของแบตเตอรี่โดยอัตโนมัติ ซึ่งช่วยลดภาระงานในการดำเนินงานและการบำรุงรักษาได้อย่างมาก ประสิทธิภาพการทดสอบที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าสูงถึง 87.8% จากใบเสนอราคาโครงการปัจจุบัน ระบบแบบกระจายศูนย์มีราคาไม่สูงไปกว่าระบบรวมศูนย์

(3) โซลูชันคลัสเตอร์อัจฉริยะ: แพ็คเกจเดียว การเพิ่มประสิทธิภาพหนึ่ง คลัสเตอร์หนึ่ง การจัดการหนึ่ง

โซลูชันสมาร์ทสตริงที่หัวเว่ยนำเสนอสามารถแก้ปัญหาหลักสามประการในโซลูชันแบบรวมศูนย์ ได้แก่ (1) การลดทอนความจุ ในโซลูชันแบบดั้งเดิม การใช้แบตเตอรี่มี “ปรากฏการณ์ชอร์ตบอร์ด” ที่ชัดเจน โมดูลแบตเตอรี่เชื่อมต่อแบบขนาน เมื่อชาร์จ เซลล์แบตเตอรี่หนึ่งเซลล์จะเต็มและการชาร์จจะหยุดลง เมื่อคายประจุ เซลล์แบตเตอรี่หนึ่งเซลล์จะหมดและการชาร์จจะหยุดลง อายุการใช้งานโดยรวมของระบบขึ้นอยู่กับอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ที่สั้นที่สุด (2) ความสม่ำเสมอ ในการทำงานและการใช้งานระบบกักเก็บพลังงาน เนื่องจากสภาพแวดล้อมเฉพาะที่แตกต่างกัน จะมีความสม่ำเสมอของแบตเตอรี่ที่คลาดเคลื่อน ซึ่งนำไปสู่การลดลงของความจุของระบบแบบทวีคูณ (3) ความไม่ตรงกันของความจุ การต่อแบตเตอรี่แบบขนานอาจทำให้เกิดความไม่ตรงกันของความจุ และความจุจริงของแบตเตอรี่จะต่ำกว่าความจุมาตรฐานมาก

โซลูชันสตริงอัจฉริยะช่วยแก้ปัญหาสามประการข้างต้นของโซลูชันแบบรวมศูนย์ผ่านการออกแบบสตริงที่ชาญฉลาดและเป็นแบบแยกส่วน: (1) สตริง ตัวเพิ่มประสิทธิภาพพลังงานถูกนำมาใช้เพื่อการจัดการระดับโมดูลแบตเตอรี่ ตัวควบคุมคลัสเตอร์แบตเตอรี่ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างสมดุลระหว่างคลัสเตอร์ และเครื่องปรับอากาศแบบกระจายช่วยลดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างคลัสเตอร์ (2) อัจฉริยะ ประยุกต์ใช้เทคโนโลยี ICT ขั้นสูง เช่น AI และ Cloud BMS ในสถานการณ์การตรวจจับไฟฟ้าลัดวงจรภายใน ใช้ AI เพื่อคาดการณ์สถานะแบตเตอรี่ และใช้กลยุทธ์การควบคุมอุณหภูมิอัจฉริยะแบบเชื่อมโยงหลายโมเดล เพื่อให้มั่นใจถึงสถานะการชาร์จและการคายประจุที่เหมาะสมที่สุด (3) การแบ่งส่วน การออกแบบแบบแยกส่วนของระบบแบตเตอรี่สามารถแยกโมดูลที่มีปัญหาออกจากกันโดยไม่ส่งผลกระทบต่อการทำงานปกติของโมดูลอื่นๆ ในคลัสเตอร์ การออกแบบแบบแยกส่วนของ PCS เมื่อ PCS ตัวใดตัวหนึ่งล้มเหลว PCS ตัวอื่นๆ จะยังคงทำงานต่อไปได้ และเมื่อ PCS หลายตัวล้มเหลว ระบบก็ยังคงทำงานต่อไปได้

(4) แผนการเรียงซ้อนแรงดันสูง: แผนการประสิทธิภาพสูงที่ไม่มีโครงสร้างขนาน

โซลูชันการกักเก็บพลังงานแบบเรียงซ้อนแรงดันสูงนี้ได้รับการออกแบบโดยใช้ระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังไฟฟ้าเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าที่เชื่อมต่อกับกริดที่ 6-35 กิโลโวลต์ โดยไม่ต้องใช้หม้อแปลงไฟฟ้า ยกตัวอย่างเช่นโซลูชัน 35 กิโลโวลต์ของ Xinfengfeng ระบบกักเก็บพลังงานเดี่ยวนี้มีขนาด 12.5 เมกะวัตต์/25 เมกะวัตต์ชั่วโมง โครงสร้างไฟฟ้าของระบบคล้ายกับระบบกักเก็บพลังงานแบบเรียงซ้อนแรงดันสูง (SVG) ซึ่งประกอบด้วยสามเฟส ได้แก่ A, B และ C แต่ละเฟสประกอบด้วยชุดจ่ายไฟฟ้าแบบ H-bridge 42 ชุด รองรับคลัสเตอร์แบตเตอรี่ 42 ชุด ชุดจ่ายไฟฟ้าแบบ H-bridge ทั้งหมด 126 ชุดในสามเฟสประกอบด้วยคลัสเตอร์แบตเตอรี่ทั้งหมด 126 ชุด กักเก็บพลังงานไฟฟ้ารวม 25.288 เมกะวัตต์ชั่วโมง แต่ละคลัสเตอร์แบตเตอรี่ประกอบด้วยเซลล์ 224 เซลล์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม

ข้อดีของระบบต่อพ่วงแรงดันสูงแบบเรียงซ้อนสะท้อนให้เห็นได้จาก: (1) ความปลอดภัย ไม่มีการเชื่อมต่อเซลล์แบบขนานในระบบ แบตเตอรี่บางส่วนเสียหาย ช่วงการเปลี่ยนถ่ายแคบ ช่วงอิทธิพลต่ำ และค่าบำรุงรักษาต่ำ (2) ความสม่ำเสมอ ชุดแบตเตอรี่ไม่ได้เชื่อมต่อโดยตรง แต่เชื่อมต่อผ่าน AC/DC ดังนั้นชุดแบตเตอรี่ทั้งหมดจึงสามารถควบคุมด้วยสมดุล SOC ผ่าน AC/DC ภายในชุดแบตเตอรี่มีเพียงคลัสเตอร์แบตเตอรี่เดียว ไม่มีการเชื่อมต่อคลัสเตอร์แบตเตอรี่แบบขนาน และจะไม่มีปัญหาการแชร์กระแส การควบคุมสมดุลระหว่างเซลล์ทำได้ผ่าน BMS ภายในคลัสเตอร์แบตเตอรี่ ดังนั้น โซลูชันนี้จึงสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการใช้ความจุของแบตเตอรี่ได้สูงสุด และในกรณีที่ใช้ไฟฟ้ากระแสสลับที่เชื่อมต่อกับกริดเดียวกัน ก็สามารถติดตั้งแบตเตอรี่ได้น้อยลงเพื่อลดการลงทุนเริ่มต้น (3) ประสิทธิภาพสูง เนื่องจากระบบไม่ได้ติดตั้งเซลล์/คลัสเตอร์แบตเตอรี่แบบขนาน จึงไม่เกิดผลกระทบจากไฟฟ้าลัดวงจร (Short-board effect) และอายุการใช้งานของระบบใกล้เคียงกับอายุการใช้งานของเซลล์เดี่ยว ซึ่งช่วยให้อุปกรณ์กักเก็บพลังงานสามารถทำงานได้อย่างคุ้มค่าที่สุด ระบบไม่จำเป็นต้องใช้หม้อแปลงไฟฟ้าเพิ่มแรงดัน (Step-up transformer) และประสิทธิภาพการทำงานของระบบ ณ สถานที่จริงสูงถึง 90%

(5) โซลูชันแบบกระจาย: การแยก DC + อินเวอร์เตอร์รวมศูนย์

ระบบกระจายนี้เรียกอีกอย่างว่าการเชื่อมต่อแบบขนานหลายสาขา (multi-branch parallel connection) ในด้าน DC บนพื้นฐานของระบบรวมศูนย์แบบดั้งเดิม จะมีการเพิ่มตัวแปลง DC/DC ไว้ที่ทางออกของกลุ่มแบตเตอรี่เพื่อแยกกลุ่มแบตเตอรี่ และตัวแปลง DC/DC จะเชื่อมต่อกับ PCS DC แบบรวมศูนย์ ด้านข้างจะมี PCS 2 ถึง 4 ตัวเชื่อมต่อแบบขนานกับหม้อแปลงไฟฟ้าภายใน และเชื่อมต่อกับกริดหลังจากได้รับแรงดันจากหม้อแปลงไฟฟ้า การเพิ่มการแยก DC/DC ในระบบจะช่วยหลีกเลี่ยงการเกิดอาร์ก DC กระแสหมุนเวียน และการสูญเสียความจุที่เกิดจากการเชื่อมต่อ DC แบบขนาน ซึ่งช่วยเพิ่มความปลอดภัยของระบบได้อย่างมากและเพิ่มประสิทธิภาพของระบบ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากระบบต้องผ่านกระบวนการกลับเฟสสองขั้นตอน จึงส่งผลกระทบเชิงลบต่อประสิทธิภาพของระบบ