Anwendungen von bidirektionalen Stromversorgungen: Vom EV-Laden bis zur Netzstabilisierung
09.08.2024
Während sich die Welt von fossilen Brennstoffen weg und hin zu erneuerbaren Energien bewegt, verändert sich das Stromnetz, um mitzuhalten. Die alte Praxis - große Kohle-, Gas- oder Kernkraftwerke, die die Verbraucher monopolistisch mit Strom versorgen - weicht einem intelligenten Netz, das eine Kombination aus herkömmlichen und erneuerbaren Energiequellen von öffentlichen und privaten Anbietern umfasst. Dementsprechend steigt auch der Bedarf an bidirektionalen Stromversorgungen, um eine effiziente Energieübertragung zwischen den verschiedenen Elementen des intelligenten Netzes zu gewährleisten. In diesem Blog befassen wir uns mit bidirektionalen Stromversorgungen, ihren Anwendungen und damit, wie RECOM unseren Kunden hilft, diese neuen Anforderungen zu erfüllen.
Inhaltsverzeichnis
Das Stromnetz verändert sich
Die Grundlagen des traditionellen Stromnetzes gehen auf das Jahr 1935 zurück. Es ist durch eine Einbahnstraße gekennzeichnet: Der Strom fließt von den Erzeugungsanlagen durch das Verteilungsnetz zu den Verbrauchern. Die Erzeugungskapazität ist relativ statisch, und es stehen nur sehr wenige Überkapazitäten zur Verfügung, um plötzliche Nachfragespitzen aufzufangen.
Infolgedessen leidet das herkömmliche Netz unter der Instabilität der Stromversorgung, da das System nur schwer auf schnelle Lastverschiebungen reagieren kann. Der Rückgriff auf alte elektromechanische Steuerungstechnik bietet kaum Steuerungsmöglichkeiten oder aktuelle Informationen über Verbrauchsmuster. Der in eine Richtung verlaufende Stromfluss erschwert die Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie Wind oder Sonne.
Die Energieversorgungsunternehmen arbeiten aktiv an der Modernisierung des Netzes. Das intelligente Netz soll Echtzeitüberwachung und -steuerung ermöglichen, Wind- und Solarstromquellen integrieren und Energieangebot und -nachfrage ausgleichen.
Infolgedessen leidet das herkömmliche Netz unter der Instabilität der Stromversorgung, da das System nur schwer auf schnelle Lastverschiebungen reagieren kann. Der Rückgriff auf alte elektromechanische Steuerungstechnik bietet kaum Steuerungsmöglichkeiten oder aktuelle Informationen über Verbrauchsmuster. Der in eine Richtung verlaufende Stromfluss erschwert die Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie Wind oder Sonne.
Die Energieversorgungsunternehmen arbeiten aktiv an der Modernisierung des Netzes. Das intelligente Netz soll Echtzeitüberwachung und -steuerung ermöglichen, Wind- und Solarstromquellen integrieren und Energieangebot und -nachfrage ausgleichen.
Energiespeicherung: Das fehlende Teil des Puzzles
Mit der Erhöhung des Anteils von Wind- und Sonnenenergie steigt auch die Unsicherheit bei der Stromerzeugungskapazität. Die verfügbare Energiemenge aus Wind und Sonne schwankt auf unvorhersehbare Weise, so dass Strom aus erneuerbaren Energiequellen stärker schwankt als Strom aus fossilen Brennstoffen und Kernkraftwerken. Eine typische Solaranlage liefert im Laufe eines Jahres weniger als 25% ihrer theoretisch maximal möglichen Leistung (Kapazitätsfaktor oder CF). Bei einer Windkraftanlage sind es weniger als 40%. Im Vergleich dazu liegt der CF eines Kernkraftwerks bei über 90%. Hinzu kommt, dass die verfügbare Kapazität der erneuerbaren Energien nicht hochgefahren werden kann, um die Stromnachfrage im Minutentakt zu decken.
Die Energiespeicherung bietet eine Methode zum Ausgleich von Angebot und Nachfrage. Wenn die Nachfrage das Angebot übersteigt, liefert das Speichersystem die zusätzliche Energie, die benötigt wird, um das Netz zu stabilisieren und Stromausfälle oder Abschaltungen zu vermeiden. Wenn das Stromangebot die Nachfrage übersteigt, wird die überschüssige Erzeugungskapazität zum Aufladen des Speichersystems genutzt.
Die Energiespeicherung bietet eine Methode zum Ausgleich von Angebot und Nachfrage. Wenn die Nachfrage das Angebot übersteigt, liefert das Speichersystem die zusätzliche Energie, die benötigt wird, um das Netz zu stabilisieren und Stromausfälle oder Abschaltungen zu vermeiden. Wenn das Stromangebot die Nachfrage übersteigt, wird die überschüssige Erzeugungskapazität zum Aufladen des Speichersystems genutzt.
Energiespeicherung und erneuerbare Energie
Pumpspeicherkraftwerke sind derzeit die am weitesten verbreitete Technologie für Energiespeichersysteme (ESS), aber ein batteriegestütztes Design ist die am besten skalierbare Technologie und weist das größte Wachstum auf.
Abb. 2: ESS-Funktionsblöcke (Quelle: SAFT-Batterien)
Abbildung 2 zeigt die wichtigsten Funktionsblöcke in einem ESS im Netzmaßstab, das Batterien zur Energiespeicherung verwendet. Bidirektionale Stromversorgungen übertragen Wechselstrom vom Netz zum Speichersystem und umgekehrt. Der Wechselstrom aus dem Netz wird in Gleichstrom für die Batterien umgewandelt, um das Speichersystem aufzuladen; wenn das Speichersystem zur Stabilisierung des Netzes beiträgt, wird der Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt und in das Netz zurückgespeist.
In vielen Fällen wird das ESS mit einer erneuerbaren Energiequelle kombiniert. In diesem Fall kann die grüne Energie aus der Windturbine (eine AC-Quelle) oder der PV-Anlage (eine DC-Quelle) je nach Bedarf in die Batterieanlage oder zurück ins Netz geleitet werden. Auf Gewerbe- oder Wohngebäuden montierte Solarmodule können ebenfalls Strom in ein ESS oder zurück in das Netz einspeisen.
All diese Energieflüsse müssen gesteuert, koordiniert und überwacht werden. RECOM bietet zahlreiche hochisolierende DC/DC-Wandler mit geringem Stromverbrauch (mit einer Isolationsspannung von bis zu 20kVDC) für die Batteriemanagementsysteme, Kommunikationsnetzwerke und die verschiedenen Spannungs-, Strom-, Temperatur-, Brand- und Drucksensoren, die für den Aufbau zuverlässiger und sicherer Batteriespeichersysteme erforderlich sind.
Abb. 2: ESS-Funktionsblöcke (Quelle: SAFT-Batterien)
Abbildung 2 zeigt die wichtigsten Funktionsblöcke in einem ESS im Netzmaßstab, das Batterien zur Energiespeicherung verwendet. Bidirektionale Stromversorgungen übertragen Wechselstrom vom Netz zum Speichersystem und umgekehrt. Der Wechselstrom aus dem Netz wird in Gleichstrom für die Batterien umgewandelt, um das Speichersystem aufzuladen; wenn das Speichersystem zur Stabilisierung des Netzes beiträgt, wird der Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt und in das Netz zurückgespeist.
In vielen Fällen wird das ESS mit einer erneuerbaren Energiequelle kombiniert. In diesem Fall kann die grüne Energie aus der Windturbine (eine AC-Quelle) oder der PV-Anlage (eine DC-Quelle) je nach Bedarf in die Batterieanlage oder zurück ins Netz geleitet werden. Auf Gewerbe- oder Wohngebäuden montierte Solarmodule können ebenfalls Strom in ein ESS oder zurück in das Netz einspeisen.
All diese Energieflüsse müssen gesteuert, koordiniert und überwacht werden. RECOM bietet zahlreiche hochisolierende DC/DC-Wandler mit geringem Stromverbrauch (mit einer Isolationsspannung von bis zu 20kVDC) für die Batteriemanagementsysteme, Kommunikationsnetzwerke und die verschiedenen Spannungs-, Strom-, Temperatur-, Brand- und Drucksensoren, die für den Aufbau zuverlässiger und sicherer Batteriespeichersysteme erforderlich sind.
EV-Laden
Elektrofahrzeuge sind eine weitere wachsende Anwendung für bidirektionale Stromversorgungen. Da der Marktanteil rein batteriebetriebener Elektrofahrzeuge weiter zunimmt, steigt auch die installierte Batteriekapazität pro Fahrzeug. Die Verbraucher fordern außerdem schnellere Ladezeiten für Batterien mit größerer Kapazität. Diese Nachfrage führt zu einer Erhöhung der Batteriespannung von 400V auf 800V, beginnend bei Hochleistungsfahrzeugen.
Ein mit ausreichender Batteriekapazität ausgestattetes Elektrofahrzeug kann potenziell als ESS fungieren und eine Vielzahl von Anwendungsfällen ermöglichen: Stromerzeugung vom Fahrzeug zum Haus (V2H), vom Fahrzeug zum Netz (V2G), Aufladen vom Fahrzeug zum Fahrzeug (V2V) oder Starthilfe für andere Fahrzeuge. Die derzeitigen Ladestationen und On-Board-Charger (OBC) für Elektrofahrzeuge sind unidirektionale Systeme, aber diese neuen Anwendungsfälle führen zu einem Übergang zu einer bidirektionalen Infrastruktur.
Zu den Szenarien, die eine bidirektionale Stromversorgung für E-Fahrzeuge und Ladestationen erfordern, gehören:
Ein mit ausreichender Batteriekapazität ausgestattetes Elektrofahrzeug kann potenziell als ESS fungieren und eine Vielzahl von Anwendungsfällen ermöglichen: Stromerzeugung vom Fahrzeug zum Haus (V2H), vom Fahrzeug zum Netz (V2G), Aufladen vom Fahrzeug zum Fahrzeug (V2V) oder Starthilfe für andere Fahrzeuge. Die derzeitigen Ladestationen und On-Board-Charger (OBC) für Elektrofahrzeuge sind unidirektionale Systeme, aber diese neuen Anwendungsfälle führen zu einem Übergang zu einer bidirektionalen Infrastruktur.
Zu den Szenarien, die eine bidirektionale Stromversorgung für E-Fahrzeuge und Ladestationen erfordern, gehören:
- EV, das Strom in das Netz oder in ein Mikronetz im Haus zurückspeist.
- Ladestation für Elektrofahrzeuge, die je nach Strompreisen entweder aus dem Netz oder aus gespeicherter Energie gespeist wird.
- EV-Ladestation zum Aufladen einer Batterieanlage vor Ort.
Unidirektionale vs. bidirektionale Leistungsarchitekturen
Eine bidirektionale Stromversorgung erfordert ein anderes Design-Konzept als eine entsprechende unidirektionale Stromversorgung. Ein unidirektionales AC/DC-Netzteil, das auf hohe Effizienz ausgelegt ist, verwendet Wide Bandgap (WBG) SiC- oder GaN-Leistungsbauelemente mit einer Totem-Pol-Leistungsfaktorkorrektur (PFC), die eine DC/DC-Topologie wie einen LLC-Resonanzwandler antreibt.
Obwohl die Totem-Pole-PFC-Topologie bidirektional ist, ist die resonante LLC-Topologie nicht bidirektional. Für bidirektionale Anwendungen wird ein resonanter Wandler, CLLC, für die DC/DC-Stufe bevorzugt, da er eine hohe Effizienz mit einem breiten Ausgangsspannungsbereich sowohl im Lade- als auch im Entlademodus kombiniert. Der CLLC verwendet Soft-Switching zur Maximierung des Wirkungsgrads: Nullspannungsschaltung (ZVS) auf der Primärseite und ZVS kombiniert mit Nullstromschaltung (ZCS) auf der Sekundärseite. SiC-Transistoren entwickeln sich schnell zur vorherrschenden Technologie in solchen Hochleistungsanwendungen.
Abbildung 3 zeigt ein Beispiel für eine bidirektionale Leistungsstufe für eine dreiphasige Ladeanwendung. Dieses Design erfordert 14 Leistungstransistoren. Es handelt sich um eine isolierte Topologie, so dass die Leistungstransistoren mit isolierten Gate-Treibern und isolierten DC/DC-Stromversorgungen gepaart sind.
Obwohl die Totem-Pole-PFC-Topologie bidirektional ist, ist die resonante LLC-Topologie nicht bidirektional. Für bidirektionale Anwendungen wird ein resonanter Wandler, CLLC, für die DC/DC-Stufe bevorzugt, da er eine hohe Effizienz mit einem breiten Ausgangsspannungsbereich sowohl im Lade- als auch im Entlademodus kombiniert. Der CLLC verwendet Soft-Switching zur Maximierung des Wirkungsgrads: Nullspannungsschaltung (ZVS) auf der Primärseite und ZVS kombiniert mit Nullstromschaltung (ZCS) auf der Sekundärseite. SiC-Transistoren entwickeln sich schnell zur vorherrschenden Technologie in solchen Hochleistungsanwendungen.
Abbildung 3 zeigt ein Beispiel für eine bidirektionale Leistungsstufe für eine dreiphasige Ladeanwendung. Dieses Design erfordert 14 Leistungstransistoren. Es handelt sich um eine isolierte Topologie, so dass die Leistungstransistoren mit isolierten Gate-Treibern und isolierten DC/DC-Stromversorgungen gepaart sind.
RECOMs Ressourcen für bidirektionale Stromversorgungen
RECOM liefert hochzuverlässige, kundenspezifische Batterieladegeräte, Konditionierer und bidirektionale Wechselrichter auf der Grundlage bewährter Designs von dreiphasigen Wechselstromversorgungen mit einer Leistung von bis zu 30kW oder sogar mehr bei Parallelschaltung mehrerer Geräte.
RECOM kann auch auf eine umfangreiche Bibliothek von Plattform-Designs zurückgreifen, die von unserem Schwesterunternehmen PCS bereitgestellt wird, das sich auf schnelle, leistungsstarke und kundenspezifische Lösungen spezialisiert hat. Diese bewährten Designs können oft ohne weiteres für andere Anwendungen angepasst werden, ohne dass dafür umfangreiche Entwicklungs- oder Zertifizierungskosten anfallen.
RECOM kann auch auf eine umfangreiche Bibliothek von Plattform-Designs zurückgreifen, die von unserem Schwesterunternehmen PCS bereitgestellt wird, das sich auf schnelle, leistungsstarke und kundenspezifische Lösungen spezialisiert hat. Diese bewährten Designs können oft ohne weiteres für andere Anwendungen angepasst werden, ohne dass dafür umfangreiche Entwicklungs- oder Zertifizierungskosten anfallen.
Schlussfolgerung
Das Aufkommen des intelligenten Stromnetzes und der Anstieg der erneuerbaren Energien führen zu einer steigenden Nachfrage nach bidirektionalen Stromversorgungen, die AC- oder DC-Strom zwischen Energiequellen, Energieverbrauchern und Speichersystemen übertragen. RECOM ist an jedem Element des intelligenten Stromnetzes beteiligt, von DC/DC-Wechselrichtern mit geringer Leistung, die zur Isolierung von Batteriemanagementsystemen oder zur Steuerung von Windturbinen verwendet werden, über AC/DC-Module mit geringem Standby-Verbrauch zur Versorgung von intelligenten Zählern, EV-Ladegeräten und PV-Wechselrichtern bis hin zu Wandlern im Kilowattbereich für netzunabhängige, ESS- und andere Anwendungen. Sind Sie bereit, mit Ihrem nächsten Design zu beginnen? Kontaktieren Sie uns noch heute.