Componentes de alta tensión para el almacenamiento de energía a escala de red.

Condensadores y diodos de alta tensión para el almacenamiento de energía a escala de red.

Compendio

El almacenamiento a escala de red es la aplicación de alta tensión de mayor crecimiento en la electrónica de potencia, y la fiabilidad de sus convertidores depende directamente de la de la red pasiva que los rodea. Este artículo explica las funciones del condensador, el amortiguador, la protección y el divisor del bus de CC, el estrés que supone el ciclo continuo y cómo seleccionar condensadores, resistencias y diodos de alta tensión para plantas de almacenamiento que funcionan ininterrumpidamente.

1. Contexto de aplicación: convertidores de cualquier escala.

Una planta de almacenamiento se carga y descarga a través de convertidores bidireccionales. Cada convertidor tiene un bus de CC que transporta toda la potencia de la planta, y el condensador del bus mantiene la tensión constante mientras el inversor conmuta:

El condensador del bus de CC absorbe la ondulación de la frecuencia de conmutación y proporciona la energía instantánea que el inversor necesita en cada pulso. Es el componente pasivo del convertidor que soporta mayor esfuerzo y, a menudo, el que menos se especifica.

2. Requisitos técnicos

2.1 Corriente de rizado del bus. El condensador del bus soporta la ondulación del inversor; la corriente nominal determina su temperatura y vida útil:

2.2 Estabilidad de la tensión del bus. El bus debe mantener su voltaje a través de los cambios de carga; el valor del condensador determina la caída de tensión:

2.3 Protección y detección. Los transitorios provenientes de eventos en la red deben limitarse y la tensión del bus debe medirse con precisión:

2.4 Cumplimiento del código de red. Una planta de almacenamiento debe soportar eventos de la red sin desconectarse, y sus armónicos deben mantenerse dentro del código de la red:

La ondulación en el bus de CC alimenta directamente los armónicos del lado de CA; un condensador de bus que pierde valor bajo polarización aumenta la distorsión armónica total (THD) y puede provocar que la planta incumpla la normativa. El filtro de bus no es un detalle superfluo para la calidad de la energía, sino un requisito del código de red con un valor cuantificable.

Figura 1 — Convertidor de almacenamiento: filtro de bus de CC, inversor con amortiguador, conexión a la red.

3. Puntos débiles de los ingenieros (retroalimentación del personal de campo)

4. Comparación de componentes: ciclo de trabajo del condensador

5. Selección y solución HVC

6. Estudio de caso de ingeniería

La planta en cuestión es un sistema de almacenamiento de energía con baterías de bus de CC de 20 MW y 1.5 kV que se activa y desactiva dos veces al día. El historial: los condensadores del bus de CC se reemplazaban cada 12 meses, se registraban cinco fallos de IGBT y nueve falsas alarmas al año. La causa principal eran los condensadores del bus, que solo soportaban tensión, y un divisor que variaba con la temperatura. La actualización instaló condensadores de bus N4700 con capacidad de corriente nominal, abrazaderas HVD rápidas, amortiguadores sintonizados y un divisor HVR de bajo TCR.

Dos hallazgos fueron más importantes que el cambio de componente en sí. Primero, las falsas alarmas generaban pérdidas económicas reales (cada una implicaba la pérdida de una ventana de carga y una penalización por parte del operador de la red), y todas se debían a un divisor que variaba un tres por ciento entre invierno y verano. La red de bajo TCR eliminó toda una categoría de falsas alarmas. Segundo, el condensador del bus se veía afectado por la propia curva de voltaje de la batería: con la carga completa, el bus se encontraba en su valor máximo, justo donde el antiguo condensador perdía más valor bajo polarización. Calificar el componente en el punto de peor funcionamiento en lugar del nominal duplicó el margen útil. Las plantas de almacenamiento funcionan las 24 horas del día, los 7 días de la semana, por lo que estos pequeños márgenes son los que diferencian un bus de cinco años de uno de doce meses, y los contables de la planta son los primeros en notarlo.

7. Consideraciones de diseño

• Vida en cascada: La vida útil del condensador del bus está determinada por su corriente de rizado y su temperatura; califíquelo según el peor perfil de carga/descarga, no el promedio.
• Resistencia en bicicleta: Las plantas de almacenamiento funcionan en ciclos diarios durante 20 años; los componentes del bus deben estar diseñados para esos ciclos, no para un único punto de diseño.
• Ajuste del amortiguador y la abrazadera: Los eventos de la red y los transitorios de conmutación llegan a los módulos IGBT; ajuste el amortiguador y la pinza de avalancha a la forma de onda medida.
• Estabilidad del divisor: Un separador de autobuses que varía con la temperatura provoca viajes falsos y pérdidas de ingresos; las redes con bajo coeficiente de temperatura de resistencia (TCR) mantienen la tensión de detección durante años.
• Descarga segura: El bus de CC contiene energía letal; las resistencias de descarga deben liberarla dentro del margen de seguridad de servicio.
• Diseño térmico: La temperatura de la carcasa del condensador del bus es el indicador de vida útil; diseñe el flujo de aire para que la unidad más caliente permanezca dentro de la clasificación.

8. referencias

• RW Erickson y D. Maksimovic, Fundamentos de la electrónica de potencia, 3.ª ed., Springer, 2020.
• N. Mohan, TM Undeland y WP Robbins, Electrónica de potencia: convertidores, aplicaciones y diseño, 3.ª ed., Wiley, 2003.
• Norma IEEE Std 519-2014, Práctica recomendada y requisitos de la IEEE para el control de armónicos en sistemas de energía eléctrica.
• 陈景亮等, 高电压试验技术, 中国电力出版社, 2005.
• Hoja de datos del condensador de disco cerámico de alto voltaje HVC, Condensador de HVC, 2024.
• Hoja de datos de la resistencia de alto voltaje HVC de estilo plano, condensador HVC, 2024.

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