バッテリーエネルギー貯蔵システム (BESS) のアーキテクチャとバッテリーの種類について説明する前に、まずこの分野で使用される最も一般的な用語に焦点を当てる必要があります。 いくつかの重要なパラメータは、バッテリ エネルギー貯蔵システムの動作を記述します。
容量[Ah]: システムが適切な電圧で接続された負荷に提供できる最大電荷。 バッテリーの技術は、特定の放電電流と温度に合わせて値が設定されるこのパラメーターに大きな影響を与えます。
公称エネルギー [Wh]:これは、完全充電状態と完全放電状態の間で生成される総エネルギーです。 これは、バッテリーの電圧と容量の積に相当します。 容量が決定されるため、温度と電流も影響します。
電力 [W]:BESS の出力電力は接続された負荷に依存するため、定義するのは困難です。 それにもかかわらず、公称電力は、最も典型的な放電シナリオにおける電力を表します。
比エネルギー [Wh/kg]:これは、質量に対するバッテリーのエネルギー貯蔵容量を示します。
充電と放電の持続時間を決定するために使用されるスケールは、Cレート。 放電電流により、1C で 1 時間以内にバッテリーが完全に消耗します。
充電/放電/充電は、サイクル。 サイクルとは何かについて合意された定義はありません。
バッテリーのサイクル寿命生成できるサイクルの合計数です。
国防総省: 放電深度。 完全放電は 100%。
充電状態 (SoC、%):バッテリーの充電レベルはこの数値で示されます。
用語 "クーロン効率「」とは、効率的に電荷を伝達するバッテリーの能力を指します。これは、放電段階で放出される電荷量 (Ah) に対する、元の充電状態に戻るのに必要な充電量の割合です。鉛蓄電池技術を除いて、最も一般的なバッテリーの効率はこれに匹敵します。
電気化学エネルギー貯蔵システムの主な種類
数多くのバッテリー システムが存在し、それぞれが化学成分とプロセスの独自の組み合わせに基づいています。 現在、鉛蓄電池とリチウムイオン電池が最も広く使用されているタイプですが、フロー電池、ニッケル電池、硫黄系電池もこの市場に参入しています。 最も一般的なバッテリー技術の主な利点を簡単に確認します。
私たちはこれらのバッテリーを定期的に使用しています。 このバッテリーの基本セルは、二酸化物または鉛の正極と鉛の負極で構成されています。 電解液は硫酸水溶液です。
これらのバッテリーの主な利点は、手頃な価格と先進的な技術水準です。
ニッケルカドミウム (Ni-Cd) 電池
リチウム電池技術が広く使用される前は、このタイプの電池が長年にわたって携帯機器の主な電源として機能していました。
これらのバッテリーは高出力と迅速な充電時間を提供します。
これらのバッテリーの改良点は、標準的な NiCd よりも約 40% 高い比エネルギーを提供できるニッケル水素 (NiMH) テクノロジーに代表されます。
リチウムイオン (Li-Ion) 電池
すべての金属の中で、リチウムは比エネルギーが最も高く、最も軽いです。 リチウム金属負極充電式電池は、信じられないほど高いエネルギー密度を提供する能力を持っています。
他にも制限があります。 たとえば、サイクリング中にアノードで樹枝状結晶が成長することは、適切な制限となります。 停電が発生し、温度が上昇してバッテリーに損傷を与える可能性があります。
BESSの構成
論理的および物理的なさまざまな「レベル」が BESS を構成します。 固有の物理部品にはそれぞれ独自の制御システムが必要です。
これらの主要な段階の概要は次のとおりです。
バッテリ システムは、必要な電圧および電流レベルを達成するために相互に接続されたさまざまなバッテリ パックと多数のバッテリで構成されています。
バッテリー管理システムは、各セルの適切な機能を制御して、システム全体ではなくバッテリーの良好な状態にとって安全な電圧、電流、温度範囲内でシステムが機能できるようにします。 さらに、これにより各セルの充電状態が調整され、バランスがとれます。
電力を AC に変換するために、インバーターがバッテリー システムに接続されます。 PCS (電力変換システム) として知られる特殊なパワー エレクトロニクス レベルがすべての BESS に存在します。 通常、適切な監視に必要なすべての補助サービスとともに変換ユニットにグループ化されます。
システムとエネルギーフローの監視と制御（エネルギー管理システム）は次のステップです。 監視制御およびデータ収集システム (SCADA システム) には、一般的な監視および制御機能が含まれることがよくあります。 一方、エネルギー管理システムは、アプリケーション要件に従って電力の流れを監視するように特別に設計されています。
中圧/低圧変圧器の接続と、システムの規模に応じて専用変電所の高圧/中圧変圧器が最後の接続となります。
PVモジュールとBESSの統合
このシリーズの最初の部分で説明したように、再生可能エネルギー源は将来、電力システムに大きな影響を与えることになります。 電力システムと再生可能発電所の両方が、BESS と再生可能エネルギー源の統合から恩恵を受ける可能性があります。
以下では、BESS が発電所を支援できるさまざまな方法について説明します。
より安定した予測可能な発電曲線を達成するために、これにより、雲に覆われた場合や電力の突然のスパイクの下での発電プロファイルの「変動性」が相殺されます。 曇りの日と晴れた日の太陽光発電所の発電曲線の対比を図 4 に示します。BESS を統合すると、発電所の「ちらつき」が少なくなり、より規則的な曲線が得られます。
ピークシェービングの結果、生成曲線は「滑らか」になります (ピークシェービングの詳細については、前の記事を参照してください)。
系統サポートと付随サービスに関して、BESS は、電力システムへの影響を大幅に抑えながら、周波数調整と電圧管理 (無効電力補償と併せて) を提供することで、発電所の送電網への統合において重要な役割を果たすことができます。
前述のサービスとは別に、接続点 (POC) の交換を始めとして、太陽電池モジュールとバッテリーエネルギー貯蔵システムの間にはさらに潜在的なコラボレーションが存在します。 BESS は PV モジュールを「補完」するために頻繁に設置されるため、その存在によって POC に追加の電力が必要になることはありません。
追加の潜在的なコラボレーションは、PV モジュールを BESS に接続する方法のアーキテクチャで行われた決定から生まれます。 少なくとも 3 つの主要なオプションが存在します。
DCカップリング: このオプションでは、電圧を安定させるために、バッテリーと PV モジュールの DC 側で BESS と PV をリンクするために特定の DC/DC コンバータが使用されます。 この方法では、プラントのすべての AC 側が PV モジュールと BESS の間のインバータを共有します (このシナリオのインバータは、PQ ダイアグラムの 4 つの象限すべてで動作できます)。この選択は住宅では非常に一般的です。アプリケーション、または小規模プラント (kW) の場合。 大規模プラントの場合、BESSは圃場に沿って分散配置されます。 ただし、DC 電圧と各バッテリー パックの充電を制御するには、特殊で高価なロジックが必要になります。
インバーター後のACカップリング: この方法は前の方法と似ていますが、BESS と PV モジュールの結合点がインバータの後に配置されます。 この場合、BESS と PV モジュールはそれぞれ独自の専用インバーターを持ちます。 DC カップリング用の追加の制御ロジックが必要ないため、この方法は住宅用途にも人気があり、大規模プラントで分散 BESS を作成するために使用できます。
POC での AC 結合:このソリューションでは、PV モジュールと BESS は相互接続設備のみを共有し、プラント レベルではセクションを完全に分離しています。