Conception de convertisseurs ANPC pour des systèmes de stockage d’énergie efficaces

Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.

Sans un stockage suffisant, le passage aux énergies renouvelables ne sera pas durable. Ainsi, les Systèmes de Stockage d’Énergie par Batterie (BESS) constituent une véritable opportunité de croissance. Un doublement des nouvelles installations de stockage d’énergie dans le monde entre 2022 et 2023 a entraîné un changement dans l’approche de la conception des convertisseurs de puissance pour les systèmes à grande échelle. Avec une conception appropriée, des rendements semiconducteurs supérieurs à 99 % peuvent être obtenus.

Le passage en cours vers des sources d’énergie renouvelables nécessite des solutions de stockage d’énergie pour garantir un approvisionnement continu et fiable en énergie pour le réseau. Une croissance massive des installations de BESS a été stimulée par des projets d’énergies renouvelables imposés par le gouvernement, où les systèmes de stockage d’énergie doivent être co-localisés avec la production. De plus, les avancées technologiques en matière de batteries ont augmenté la densité de puissance des conteneurs BESS, rendant les installations réalisables dans des zones avec un espace limité.

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Le potentiel des BESS à fournir de la stabilité au réseau reste encore à exploiter pleinement. Ils peuvent offrir un lissage de la pointe, un décalage de charge, et une alimentation de secours par leur intégration dans des applications telles que les centres de données. Ces applications ont un potentiel de croissance si important que l’Agence Internationale de l’Énergie prévoit une augmentation des installations cumulées de batteries à grande échelle dans le monde, passant de 54 GW en 2023 à plus de 500 GW en 2030.

Conception des BESS

Les BESS à grande échelle, couplés en courant alternatif, ont traditionnellement reposé sur la même approche d’onduleur central que solaire, où un onduleur unique était alimenté par une banque de batteries (Figure 1). Le système de conversion de puissance (PCS) se composait d’un onduleur bi-directionnel à 2 niveaux (1000 V) ou 3 niveaux (1500 V) à l’échelle MW. Ce système, emballé dans un conteneur de 20 pieds, était considéré comme rentable car il utilisait des conceptions d’onduleurs existantes provenant d’équipements solaires déjà développés (et co-déployés). Cependant, l’expérience a montré que cette configuration peut provoquer des défis de serviceabilité, car une seule défaillance dans l’onduleur rendrait l’ensemble du système inutilisable. De plus, la diversité croissante des emplacements d’installation des BESS signifie qu’une plus grande granularité est nécessaire pour les tailles de banques de batteries.

Figure 1. Conteneur BESS avec onduleur central. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []

L’approche modulaire du PCS (Figure 2) est désormais la tendance actuelle pour résoudre ces problèmes. Le même conteneur de 20 pieds est utilisé, mais chaque armoire de batteries a son propre onduleur dédié. Cela améliore la serviceabilité, car seule une sous-ensemble de batteries est mise hors ligne lorsqu’une défaillance de PCS se produit. De plus, il est désormais possible de changer la puissance nominale du système par incréments d’une armoire de batteries sans s’inquiéter de l’onduleur étant surdimensionné pour l’application.

Figure 2. Conteneur BESS avec PCS modulaire. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []

Les avancées en technologie des batteries influencent également la taille des PCS. Les batteries lithium-ion (Li-ion) restent le type de batterie prédominant. Cependant, des développements constants dans l’optimisation des matériaux, les innovations d’électrolytes et la technologie de fabrication ont eu lieu. De nouveaux types de Li-ion, comme le Lithium Fer Phosphate (LFP) sans cobalt, permettent une capacité de 5 MWh dans un conteneur de 20 pieds. Les améliorations récentes tireront cette capacité à 6 MWh et plus dans les prochaines années.

Alors que la « capacité énergétique » du BESS est une valeur (par exemple, 6 MWh), la « capacité de puissance nominale » du système pour la charge/décharge est inférieure. C’est le niveau de puissance auquel l’ensemble du système peut être déchargé instantanément à partir d’une pleine charge. Une valeur fractionnaire, désignée par P ou C, définit ce taux et, par conséquent, la puissance nominale du PCS.

À un taux de charge/décharge de 0,5C, cela signifie que le PCS dans un BESS de 6 MWh doit être évalué à 3 MW pour un fonctionnement continu. Avec la topologie à 12 armoires montrée à la Figure 2, une puissance d’environ 250 kW par PCS est nécessaire. Coupler cela avec le fait qu’un PCS moderne monté en rack doit s’adapter dans un rack standard de 19 pouces, il est clair que la densité de puissance devient un facteur clé lors de la conception d’un convertisseur de puissance. De plus, les exigences critiques pour le PCS sont les suivantes :

• Capacité d’accepter jusqu’à 1500 VDC en continu
• Haute efficacité en modes de charge (PF = -1) et de décharge (PF = 1)
• Densité de puissance élevée (refroidissement liquide)
• Résister aux cycles répétés de charge/décharge (longs) du système

Conception du Système de Conversion de Puissance

Aujourd’hui, la topologie la plus efficace pour répondre aux exigences électriques est le convertisseur à 3 niveaux et point neutre actif (ANPC). La configuration à 3 niveaux peut accueillir la tension de bus de 1500 V en utilisant des semiconducteurs à faible perte de 1200 V. La configuration ANPC (par opposition au type NPC) offre une efficacité tout aussi élevée lorsque la batterie est en charge (PF = -1) et en décharge (PF = 1).

Le module de puissance SEMITOP E2 de Semikron Danfoss regroupe les six commutateurs dans un bras de phase ANPC dans un format compact (57 mm x 63 mm). Les broches à pression ou à souder permettent un montage facile sur PCB. Le boîtier en une seule pièce avec des pattes de montage intégrées s’applique à une pression de montage élevée sur le dissipateur de chaleur. Cette caractéristique de conception mécanique seule offre une résistance thermique supérieure, R_th(j-s), par rapport aux modules standards de l’industrie. Cependant, le SEMITOP E2 est également disponible avec une pâte thermique haute performance (HPTP) pré-appliquée ou un matériau à changement de phase (HP-PCM) dans un motif optimisé pour des performances thermiques de premier ordre. Une conception sans plaque de base bénéficie fortement d’un dissipateur de chaleur refroidi par liquide et minimise les couches thermiques entre les puces et le fluide de refroidissement. L’absence de plaque de base et de la couche de soudure associée signifie que le module est résistant aux cycles thermiques qui accompagnent chaque événement de charge et décharge.

Étant donné que la méthodologie de contrôle du convertisseur ANPC affecte fortement les pertes de chaque commutateur, le module de puissance doit être conçu avec des puces optimisées soit pour les pertes par conduction soit pour les pertes par commutation dans chaque position de commutateur. Le SEMITOP E2 ANPC de 150A (Figure 3) est conçu pour le schéma de commutation basse fréquence/haute fréquence (LF/HF). Cela signifie que les quatre commutateurs aux positions T1, T5, T6 et T4 sont des IGBT de haute puissance de génération 7. Ces IGBT sont conçus pour avoir de faibles pertes de conduction puisqu’ils ne commutent qu’avec la fréquence du réseau. Les deux commutateurs aux positions T2 et T3 sont les derniers MOSFET en carbure de silicium de génération. Les commutateurs dans ces positions fonctionnent à une fréquence porteuse élevée et doivent présenter de faibles pertes de commutation. Cette approche hybride permet une commutation haute fréquence pour les configurations LF/HF tout en maintenant le coût global du module à un niveau bas.

Figure 3. Module SEMITOP E2 (par exemple, SK150AMLI120CR03TE2). Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []

La spécification pour un PCS modulaire tourné vers l’avenir utilisé dans des conteneurs de classe multi-MW est donnée dans le Tableau 1. Cela a servi de base à une simulation thermique d’un design de PCS utilisant le module SEMITOP E2.

Tableau 1. Spécifications du PCS modulaire de prochaine génération.

Pour atteindre la puissance de sortie cible et la durée de vie de charge/décharge tout en maintenant une efficacité adéquate, deux SK150AMLI120CR03TE2 sont utilisés en parallèle pour construire chacune des trois jambes de phase. Celles-ci ont été placées sur un dissipateur de chaleur refroidi par liquide hypothétique (Figure 4) avec un R_th(s-a) total de 0,0146 K/W. Les six modules s’adaptent à l’intérieur d’une empreinte de 400 mm x 58 mm.

Figure 4. Configuration du dissipateur de chaleur refroidi par liquide simulé pour six modules SEMITOP E2 (2 par phase). Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []

Les résultats (Figure 5) montrent que des rendements semiconducteurs supérieurs à 99 % peuvent être atteints sur une plage de fréquence de commutation de 10…20 kHz, que ce soit en charge ou en décharge.

Un PCS Modulaire pour Tous

La conception d’un PCS complet nécessite une connaissance du contrôle des convertisseurs de puissance à 3 niveaux, ainsi qu’une compréhension du système et des applications pour assurer que le PCS interagit correctement avec l’ensemble du BESS. C’est là qu’un développeur d’électronique de puissance expérimenté avec les ressources d’énergie renouvelable est utile. Semikron Danfoss s’associe à Headspring Inc. de Tokyo, au Japon, pour développer un PCS exemplaire autour du module SEMITOP E2.

Headspring développe le logiciel de contrôle ANPC pour activer les modules de puissance en utilisant leur système de contrôleur temps réel haute vitesse. Ce contrôleur intégrera également des connexions avec le système de gestion de batterie (BMS) du BESS, ainsi que des fonctions pour une connexion conforme au réseau. Une option pour le mode autonome est également disponible, permettant au BESS de fonctionner comme une source d’alimentation de secours fiable lors des pannes du réseau.

Figure 5. Puissance de sortie et efficacité de l’onduleur ANPC (pertes semiconducteurs uniquement). Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []

Chaque module PCS a son propre contrôleur conçu pour s’intégrer parfaitement avec d’autres modules PCS connectés en parallèle. Cela fournit l’évolutivité nécessaire pour entraîner l’ensemble du conteneur BESS ainsi que pour assurer le fonctionnement continu du système en cas de défaillance de modules PCS individuels. Headspring a également de l’expérience dans la conception de filtres et de circuits de protection nécessaire pour le PCS.

Pour le matériel de convertisseur de puissance, Semikron Danfoss peut fournir un support de conception pour intégrer les modules de puissance SEMITOP E2 avec les systèmes de contrôle Headspring. Avec cette collaboration, toute personne construisant un BESS à grande échelle peut accéder à une conception de PCS modulaire de nouvelle génération.

Les avancées dans les exigences d’application et les technologies de batterie changent la façon dont les systèmes de stockage d’énergie par batterie haute puissance sont conçus. Un bloc PCS modulaire basé sur la topologie ANPC est actuellement l’alternative optimale.

Cet article est paru à l’origine dans Bodo’s Power Systems [] magazine.