Autor: Kane Jia, Ingeniero de Marketing de Aplicaciones, onsemi
Las baterías se pueden utilizar para almacenar la energía producida a partir de fuentes renovables como la solar y la eólica en horas punta, permitiendo así su aprovechamiento cuando las condiciones ambientales son menos favorables para la producción de energía. Este artículo revisa las topologías de los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (battery energy storage systems, BESS) para uso residencial y comercial. También presenta las soluciones EliteSiC de onsemi, que pueden mejorar el rendimiento de los BESS como sustitutos de los transistores MOSFET o IGBT de silicio.
Figura 1: Descripción general de la implementación de un BESS.
Ventajas de los BESS
Los cuatro métodos más utilizados para almacenar energía son: electroquímico, químico, térmico y mecánico. La batería de iones de litio (Li-ion), el sistema de almacenamiento electroquímico más conocido, destaca por sus altos niveles de densidad de energía, eficiencia, tamaño compacto y modularidad. Además, Li-ion es una tecnología madura de baterías, y por tanto fiable y de bajo coste. La reducción continua de precio de las baterías de Li-ion favorece su creciente uso en sistemas de almacenamiento de energía. Su uso conjunto con sistemas inversores solares. conectados o no a la red eléctrica, ofrece numerosas ventajas a los usuarios residenciales y comerciales, como:
- Precio: el almacenamiento de energía reduce los costes de la electricidad cuando las tarifas de las compañías eléctricas son más altas.
- Autosuficiencia: el almacenamiento de energía reduce (o elimina) la dependencia de la red.
- Fuente de alimentación de reserva: la electricidad almacenada ofrece una alternativa en caso de avería de la red de suministro.
Principales bloques funcionales de un BESS
Un BESS suele estar constituido por cuatro bloques funcionales:
- Módulo de batería recargable: Formado por células de baterías montadas sobre un bastidor con una tensión nominal de 50 V a más de 1000 V.
- Sistema de gestión de la batería (battery management system, BMS): El BMS protege y gestiona las baterías recargables, garantizando así su funcionamiento dentro de unos parámetros seguros.
- Sistema de conversión de potencia (power conversion system, PCS): El PCS conecta el paquete de baterías a la red y a la carga, y es un factor importante en el coste, el tamaño y el rendimiento del BESS en general.
- Sistemas de gestión de energía (energy management systems, EMS): Este software monitoriza, controla y optimiza el sistema de generación o transmisión.
BESS residenciales
Los sistemas de conversión de potencia utilizados con el BESS se clasifican dependiendo de si son de CA o CC, así como por su nivel de potencia (residencial o comercial). Un sistema de CC, o inversor híbrido, requiere un solo paso para la conversión de potencia. No obstante, mientras que el almacenamiento de energía CA se adapta fácilmente a los sistemas solares o eólicos existentes, su conversión de potencia requiere un paso adicional para cargar y descargar la batería y, por tanto, existe la posibilidad de que se pierda más potencia. Por ejemplo, se puede añadir un sistema de conversión de potencia residencial a un sistema inversor solar existente para permitir el uso de la energía generada para cargar una batería de reserva o para la alimentación de electrodomésticos.
Figura 2: ESS de CA (izq.) y CC (dcha.) de tipo residencial.
Un convertidor CC/CC bidireccional conecta un paquete de baterías al enlace de CC. La tensión del bus de un sistema monofásico suele ser inferior a 600 V mientras la potencia de carga y descarga no supere los 10 kW. En este caso, un convertidor reductor-elevador (buck-boost) es la topología CC/CC bidireccional más común ya que necesita menos componentes y es fácil de controlar. Dos IGBT o MOSFET de 650 V con diodos en paralelo son adecuados en un sistema bidireccional de este tipo. Por ejemplo, el IGBT FS4 FGH4L75T65MQDC50 de 650 V con diodo de SiC integrado ofrece unas bajas pérdidas en conducción y conmutación en esta aplicación.
Figura 3: Reductor-elevador para un CC/CC bidireccional.
El aislamiento puede garantizar la seguridad de los usuarios del BESS y el convertidor de doble puente activo (dual active bridge, DAB) o las topologías CLLC ofrecen soluciones de conversión CC/CC bidireccional aislada para BESS. Un circuito reductor-elevador de la etapa frontal en cascada puede proporcionar un rango más amplio de tensiones de entrada y salida si se produce una variación significativa de la tensión de la batería. Esta solución también disminuye la potencia reactiva e incrementa el tamaño de la zona de conmutación suave. El MOSFET PowerTrench con puerta apantallada de canal N y 150 V NTP5D0N15MC es ideal para estas topologías.
Las fuentes trifásicas son las más empleadas en instalaciones comerciales y empresariales de alta potencia. Los interruptores de potencia en aplicaciones trifásicas deben resistir tensiones y corrientes operativas capaces de suministrar hasta 15 kW y una tensión en el enlace de CC que las instalaciones residenciales (hasta 1000 V). Esto se puede conseguir sustituyendo los transistores de 650 V mencionados antes por dispositivos de 1200 V, por ejemplo dentro de una topología reductora-elevadora simétrica a tres niveles. De este modo se reducen las pérdidas en conmutación ya que solo aparece la mitad de la tensión de salida en los interruptores y los diodos. Una ventaja añadida es que necesita inductores más pequeños y ofrece una mejor respuesta frente a EMI. Ahora bien, esta opción requiere más componentes lo cual aumenta la complejidad del diseño, el control y el coste del sistema.
BESS comercial
El rango de potencia de entrada y salida de un sistema de almacenamiento de energía comercial suele ser de 100 kW a 2 MW. Estas grandes instalaciones pueden estar formadas por varios subsistemas trifásicos con potencias que pueden ir desde decenas de kilovatios hasta más de 100 kW. La tensión CC máxima, que depende de la tensión del bus del sistema solar existente o de la tensión de la batería, es una especificación crítica. La tensión del bus de CC de los inversores solares comerciales suele ser de 1100 V pero puede llegar hasta 1500 V en un sistema a gran escala. Para un determinado nivel de potencia, incrementar la tensión del bus de CC reduce la corriente y por tanto disminuye el coste del cable de interconexión.
Los sistemas de CA se utilizan más a menudo en los BESS comerciales porque se pueden añadir con facilidad a un diseño existente, mientras que los sistemas de CC tienen menos necesidades de adaptación eléctrica, especialmente para aplicaciones comerciales ya que se han de conectar a un bus de CC, que suele estar en el interior del sistema original y tiene tensiones y corrientes elevadas. I-NPC de tres niveles es una topología utilizada a menudo con inversores en aplicaciones industriales de alta potencia. Tiene cuatro transistores, cuatro diodos inversos y dos diodos de bloqueo con una tensión de ruptura inferior a la tensión del enlace de CC, lo cual significa que bastan transistores de 650 V en un sistema de 1100 V.
Figura 4: Topología I-NPC trifásica.
Las topologías trifásicas ofrecen varias ventajas. En primer lugar, sufren menos pérdidas en conmutación (proporcionales el cuadrado de la tensión aplicada a interruptores y diodos). En segundo lugar, destacan por su menor corriente de rizado y su tensión pico-pico equivale a la mitad de la tensión de salida, facilitando así el empleo de inductores más pequeños de menor coste. Finalmente, se reduce el nivel de EMI conducidas, ligado a la corriente de rizado, ya que son emisiones radiadas. La adaptación a una topología A-NPC ofrece un rendimiento aún mejor porque sustituye dos diodos de bloqueo por dos interruptores activos con menos pérdidas. No obstante, en esta configuración son críticos el emparejamiento de los drivers y la equiparación de retardos, lo cual puede ser un inconveniente en algunas aplicaciones.
Las soluciones de SiC mejoran el rendimiento del BESS
El SiC ofrece mejores características que el silicio, entre ellas una banda de energía más ancha, una mayor intensidad de campo de ruptura y una mayor conductividad térmica. Todo ello permite que los dispositivos de SiC funcionen a frecuencias más altas sin necesidad de compensar la potencia de salida y el tamaño del inductor. La mayor eficiencia de funcionamiento del SiC también permite la refrigeración natural en lugar del ventilación forzada en algunas situaciones. Los MOSFET EliteSiC NTH4L015N065SC1 y NTBL045N065SC1 de 650 V de onsemi son dos opciones excelentes para sustituir transistores de silicio en aplicaciones basadas en sistemas de almacenamiento de energía que también utilicen el elevador doble NXH40B120MNQ0 de 1200 V y el medio puente de doble encapsulado NXH010P120MNF1, de modo que el módulo integrado de potencia EliteSiC puede proporcionar una densidad de potencia incluso superior en sistema a gran escala. onsemi también ofrece otros componentes, como drivers de puerta, amplificadores detectores de corriente y controladores MACPHY Ethernet, que se pueden utilizar en aplicaciones de BESS.
