Als Kerngerät des Energiespeichersystems ist der Energiespeicherkonverter ein wichtiges Instrument zur Stromumwandlung, zum Energiemanagement, zur Gewährleistung der Netzstabilität, zur Verbesserung der Energieeffizienz usw. Da die Stromversorgungseinheit des Energiespeicherkonverters in Richtung hoher Integration und hoher Effizienz tendiert, stellt die Entwicklung von Frequenz und großer Kapazität immer höhere Anforderungen an die Wärmeableitung.

1-Änderungen im Kühlbedarf

l Passend zur größeren Gleichstromkabine wird die Umrichterleistung weiter erhöht und eine effiziente Wärmeableitungstechnologie gewährleistet die Zuverlässigkeit der Geräte.

Da die Kapazität der Energiespeicherzellen immer größer wird, wächst gleichzeitig auch die Kapazität der Energiespeichersysteme. Anfang 2023 betrug die Standardkapazität einer 20-Fuß-Einzelzellenbatterie auf dem Markt nur 3,35 MWh. In der zweiten Jahreshälfte brachten viele Batteriezellenhersteller Energiespeicherprodukte mit 310+ Ah auf den Markt, und die Kapazität der 20-Fuß-Einzelzellenbatterie wurde ebenfalls auf 5 MWh erweitert. Weniger als ein halbes Jahr nach der Aktualisierung des 5-MWh-Modells brachten einige führende Energiespeichersysteme jedoch 6-MWh- und 8-MWh-Systeme auf den Markt. Nach allgemeiner Erfahrung ist der Energiespeicherkonverter auf das 1,2-fache der Ladekapazität konfiguriert. Die Einzelkapazität eines 5-MWh-Energiespeichersystems muss über 2,5 MW liegen. Hohe Leistung erfordert eine effizientere Kühltechnologie, um einen stabilen Betrieb der Geräte bei anhaltend hoher Belastung zu gewährleisten.

Iterative Entwicklung des Topologieschemas zur Integration von Energiespeichersystemen

l Die Anwendung der Gleichstrom-Hochspannungstechnologie erfordert von den Geräten eine höhere Spannungsfestigkeit und Isolationsfestigkeit, außerdem ist die Wärmeableitung der Leistungsgeräte stark.

Um mit Energiespeichersystemen mit großer Kapazität Schritt zu halten, hat sich die Gleichstrom-Hochspannungstechnologie zum technischen Trend entwickelt. Durch die Erhöhung des Spannungsniveaus können Energie gespart, die Effizienz verbessert und die Leistung gesteigert werden. Die Spannungserhöhung auf 1500 V stammt aus der Photovoltaik und wird heute zur Energiespeicherung eingesetzt. Die Hochspannungsentwicklung von Energiespeicher-PCS hat jedoch noch einen langen Weg vor sich und einige Hersteller haben bereits mit der Optimierung auf 2000 V begonnen. Durch die Anwendung der Gleichstrom-Hochspannungstechnologie müssen die Leistungselektronikgeräte in Energiespeicherkonvertern höhere Spannungsfestigkeiten und eine höhere Isolationsfestigkeit aufweisen, um sich an Hochspannungsarbeitsumgebungen anzupassen. In Hochspannungsumgebungen wird das Wärmeableitungsdesign von Leistungsgeräten wichtiger. Die pn-Übergangstemperatur von Leistungsgeräten darf im Allgemeinen 125 °C nicht überschreiten und die Temperatur der Gehäusehülle darf 85 °C nicht überschreiten.

l Vernetzte Energiespeichersysteme erfordern komplexe Steuerungsalgorithmen, Schaltungsdesigns und Energiespeicherkonverter mit hoher Leistungsdichte

Im Gegensatz zu den wesentlichen Eigenschaften von Stromquellen in netzbildenden Energiespeichersystemen sind netzbildende Energiespeichersysteme im Wesentlichen Spannungsquellen, die Spannungsparameter intern einstellen können, um eine stabile Spannung und Frequenz auszugeben. Daher ist es erforderlich, dass netzbildende Konverter die Eigenschaften von Synchrongeneratoren simulieren und Spannung und Frequenz unterstützen, um die Stabilität des Stromsystems zu verbessern. Diese Steuerungsstrategie erfordert, dass Konverter eine höhere Leistungsdichte und komplexere Steuerungsalgorithmen sowie leistungsstärkere Leistungsgeräte und komplexere Schaltungsdesigns besitzen, um die Steuerungsstrategie umzusetzen. Die durch hohe Leistungsdichte und komplexe Steuerungsstrategien erzeugte Wärme effektiv zu bewältigen und gleichzeitig die Größe und Kosten des Kühlsystems zu reduzieren, ohne die Leistung zu beeinträchtigen, ist zu einer neuen Herausforderung im thermischen Design geworden.

2- Vergleich gängiger Kühllösungen

Die Kühllösung für Energiespeicher-Wechselrichter hat in den letzten Jahren eine bedeutende iterative Weiterentwicklung erfahren, die sich hauptsächlich im Übergang der Kühltechnologie von der herkömmlichen Luftkühlung zur Flüssigkeitskühlung widerspiegelt.

l Luftkühlungslösung

Luftkühlung ist die Temperaturregelungsform, die in der Anfangsphase von Energiespeicherkonvertern verwendet wird. Dabei wird Luft als Medium verwendet und die Wärme wird über Lüfter und Kühler abgeleitet. Die Luftkühlungslösung verbessert die Wärmeableitungseffizienz, indem sie den Energieverbrauch kontinuierlich senkt, die Struktur optimiert und die Wärmeableitungsmaterialien verbessert. Bei einer Leistung von 2,5 MW kann die Luftkühlung die Anforderungen immer noch erfüllen.

l Flüssigkeitskühllösung

Da die Leistungsdichte und Energiedichte von Energiespeichersystemen weiter zunimmt, verwenden flüssigkeitsgekühlte PCS Kühlmittel mit hoher Wärmeleitfähigkeit als Medium. Das Kühlmittel wird von einer Wasserpumpe angetrieben, um in der Kühlplatte zu zirkulieren, und wird nicht von Faktoren wie Höhe und Luftdruck beeinflusst. Das Flüssigkeitskühlsystem hat eine effizientere Wärmeableitungseffizienz als das Luftkühlsystem. Die Flüssigkeitskühlungslösung hat einen höheren Anpassungsgrad und wurde in den letzten ein oder zwei Jahren erforscht und populär gemacht.

Neben der Energiespeicherlösung mit vollständiger Flüssigkeitskühlung haben einige Hersteller Energiespeicher-Direktkühlmaschinen auf den Markt gebracht, die eine Phasenwechsel-Direktkühlung und keinen Wasserkreislauf verwenden. Auch Direktkühllösungen halten Einzug im Bereich der Energiespeicherung.

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