BESS — DC-zijde: overstroombeveiliging en kabeldimensionering van batterijopslagsystemen

De gids over thuisbatterijen & energieopslagsystemen behandelt de installatie- en aanmeldeisen van een batterijopslagsysteem (BESS) in algemene zin, en de gids over thermal runaway behandelt het achterliggende brandveiligheidsrisico. Dit artikel behandelt een derde, voorafgaand aspect: de elektrotechnische ontwerpkeuzes aan de DC-zijde van een BESS zelf — de verbinding tussen de batterijmodules en de omvormer — waarbij zowel de overstroombeveiliging als de kabeldimensionering fundamenteel andere overwegingen vergen dan bij een gewone AC-installatie.

Waarom een gelijkstroomboog fundamenteel lastiger te doven is

Bij een wisselstroomfout gaat de stroom 50 keer per seconde natuurlijk door nul — elke nuldoorgang biedt een moment waarop een ontstane vlamboog vanzelf dooft en een schakelaar of zekering de onderbreking met relatief weinig energie kan voltooien. Bij gelijkstroom ontbreekt deze natuurlijke nuldoorgang volledig: een eenmaal ontstane DC-boog blijft branden totdat het apparaat zelf actief voldoende impedantie in het circuit brengt om de stroom tot nul te forceren. Dit maakt het onderbreken van een DC-fout inherent energie-intensiever dan bij AC, en is de reden waarom een gewone AC-zekering of -schakelaar niet zonder meer geschikt is voor gelijkstroomtoepassingen, ook niet bij een vergelijkbare stroomsterkte.

DC-zekeringen en -schakelaars: een aparte classificatie

Zowel zekeringen als schakelaars die voor de DC-zijde van een BESS worden toegepast, moeten expliciet zijn beproefd en geclassificeerd voor gelijkstroomonderbreking bij de daadwerkelijke systeemspanning — niet alleen voor de stroomsterkte. Relevante productnormen zijn onder meer IEC 60269 (laagspanningszekeringen, met specifieke DC-classificaties) en IEC 60947-2 respectievelijk IEC 60898-2 voor DC-geschikte vermogensschakelaars/installatieautomaten. Een belangrijk verschil met AC: het onderbrekingsvermogen van een DC-zekering of -schakelaar is spanningsafhankelijk op een manier die niet lineair schaalt met de stroomsterkte — een component die is goedgekeurd voor 60 V DC is niet automatisch geschikt voor eenzelfde stroom bij 600 V DC, ook al is de fysieke boogafstand in het apparaat gelijk.

Stringzekeringen: bescherming tegen circulerende stroom tussen parallelle strings

Bij een BESS met meerdere parallel geschakelde batterijstrings kan een interne fout of een verschil in ladingstoestand tussen strings ertoe leiden dat de ene string stroom in een andere string injecteert — een circulerende stroom die niet via de hoofdaansluiting naar de omvormer loopt en daardoor niet door een enkele hoofdzekering wordt gedetecteerd. Om dit te beperken wordt doorgaans per string (of soms per module) een eigen zekering toegepast, vergelijkbaar in principe met de stringzekering bij een PV-installatie, maar met een eigen dimensionering die is afgestemd op de karakteristieke ontlaadstroom van de batterijchemie.

Kabeldimensionering: piekstroom van zowel laden als ontladen

Anders dan bij een PV-string, waar de stroom naar boven wordt begrensd door de instraling en de paneelkarakteristiek, kan de DC-kabel tussen een batterijmodule en de omvormer tijdens zowel laden als ontladen een aanzienlijke, door de omvormer actief gestuurde stroom voeren. De kabeldoorsnede moet daarom worden gedimensioneerd op de hoogste van beide piekstromen (niet op een gemiddelde), met de gebruikelijke correctiefactoren voor omgevingstemperatuur en bundeling van meerdere kabels (zie de gids over groepsfactor). Daarnaast is de spanningsval over de DC-kabel relevant voor het rendement van het systeem: een te lange of te dun gedimensioneerde DC-kabel tussen batterij en omvormer verlaagt het effectieve laad-/ontlaadrendement merkbaar, naast de gebruikelijke veiligheidsoverwegingen.

Isolatiebewaking en aardingsconfiguratie

Een BESS-DC-bus wordt, net als een PV-string, doorgaans niet functioneel geaard uitgevoerd (een ongeaard, IT-achtig DC-systeem), met een continue isolatiebewaking (IMD) die een eerste isolatiefout signaleert zonder direct uit te schakelen — zie de gids over IT-stelsel eerstefoutdetectie voor het onderliggende principe. Dit voorkomt dat een enkele aardsluiting in het batterijpakket meteen tot uitschakeling van het hele systeem leidt, maar vereist wel dat de isolatiebewaking zelf functioneel is en periodiek wordt gecontroleerd.

Let op: de exacte topologie (geaard versus ongeaard DC-systeem, midpunt-aarding) volgt uit de specificatie van de omvormer- en batterijfabrikant en de toepasselijke productnorm (onder meer IEC 62619 voor de batterijcellen zelf); dit artikel behandelt het principe, geen pasklaar ontwerp voor elk fabricaat.

Praktische relevantie

Bij het beoordelen van een BESS-installatie is het van belang te controleren dat de toegepaste DC-zekeringen en -schakelaars expliciet zijn geclassificeerd voor de daadwerkelijke DC-systeemspanning (niet alleen voor de stroomsterkte), dat de DC-kabeldoorsnede is gebaseerd op de hoogste piekstroom van laden of ontladen, en dat een eventuele isolatiebewaking functioneel is en niet is overbrugd of buiten bedrijf gesteld.

Veelgemaakte fouten

1. Een gewone AC-zekering of -schakelaar toepassen op de DC-zijde zonder te controleren of het onderbrekingsvermogen expliciet is beproefd voor de daadwerkelijke DC-systeemspanning — het ontbreken van een natuurlijke nuldoorgang maakt dit een reëel risico op een aanhoudende vlamboog bij een fout.
2. Kabeldoorsnede baseren op het gemiddelde vermogen in plaats van de hoogste piekstroom van laden óf ontladen — dit kan tot overbelasting leiden tijdens kortstondige, maar aanzienlijke laad- of ontlaadpieken.
3. Geen aparte stringzekeringen toepassen bij een BESS met meerdere parallelle strings — een interne fout in één string kan dan ongedetecteerd circulerende stroom vanuit een andere string ontvangen.
4. De isolatiebewaking (IMD) van een ongeaard DC-systeem niet periodiek controleren — een IMD die zelf defect is, geeft geen waarschuwing meer bij een daadwerkelijke eerstefout in het batterijpakket.

Gerelateerd

• Thuisbatterijen & energieopslagsystemen — installatie-eisen
• Lithium-ion BESS — thermal runaway & brandveiligheid
• IT-stelsel — eerstefoutdetectie (IMD)
• Groepsfactor (Cg) — kabelbundeling en stroombelastbaarheid