BESS — сторона постійного струму: захист від надструмів і вибір перерізу кабелю для систем накопичення енергії

Стаття про домашні акумулятори та системи накопичення енергії розглядає вимоги до встановлення та реєстрації системи накопичення енергії (BESS) у загальному вигляді, а стаття про тепловий розгін розглядає пов'язаний із цим ризик пожежної безпеки. Ця стаття розглядає третій, попередній аспект: електротехнічні рішення на стороні постійного струму самої BESS — з'єднання між акумуляторними модулями та інвертором, — де і захист від надструмів, і вибір перерізу кабелю потребують принципово інших міркувань, ніж звичайна установка змінного струму.

Чому дугу постійного струму принципово складніше погасити

Під час пошкодження в колі змінного струму струм природним чином проходить через нуль 50 разів на секунду — кожен перехід через нуль дає момент, у який дуга, що виникла, гасне сама собою, і вимикач або запобіжник може завершити відключення з відносно невеликою енергією. При постійному струмі цей природний перехід через нуль повністю відсутній: одного разу утворена дуга постійного струму продовжує горіти доти, доки сам апарат активно не введе в коло достатній опір, щоб примусово довести струм до нуля. Це робить відключення несправності постійного струму принципово енергозатратнішим, ніж при змінному струмі, і є причиною того, чому звичайний запобіжник чи вимикач змінного струму не підходить автоматично для застосувань постійного струму, навіть за порівнянної сили струму.

Запобіжники та вимикачі постійного струму: окрема класифікація

Як запобіжники, так і вимикачі, що застосовуються на стороні постійного струму BESS, повинні бути явно випробувані та класифіковані для відключення постійного струму за фактичної напруги системи — а не лише для сили струму. Відповідні стандарти на вироби включають IEC 60269 (низьковольтні запобіжники зі спеціальними класифікаціями для постійного струму) та IEC 60947-2 або IEC 60898-2 для придатних для постійного струму вимикачів/ автоматичних вимикачів. Важлива відмінність від змінного струму: відключувальна здатність запобіжника чи вимикача постійного струму залежить від напруги нелінійно щодо сили струму — компонент, схвалений для 60 В постійного струму, автоматично не придатний для того самого струму за 600 В постійного струму, навіть якщо фізичний дуговий проміжок в апараті ідентичний.

Запобіжники по стрингах: захист від циркулюючого струму між паралельними стрингами

У BESS із кількома паралельно підключеними акумуляторними стрингами внутрішня несправність або різниця в ступені заряду між стрингами можуть призвести до того, що один стринг подаватиме струм в інший — циркулюючий струм, який не проходить через основне підключення до інвертора і тому не виявляється одним головним запобіжником. Щоб це обмежити, зазвичай застосовується окремий запобіжник на кожен стринг (іноді на кожен модуль), за принципом подібний до запобіжника стринга в PV-установці, але підібраний під характерний струм розряду конкретної хімії акумулятора.

Вибір перерізу кабелю: піковий струм як заряду, так і розряду

На відміну від PV-стринга, де струм за своєю природою обмежений зверху освітленістю та характеристикою панелі, кабель постійного струму між акумуляторним модулем та інвертором може нести значний, активно керований інвертором струм як під час заряду, так і під час розряду. Переріз кабелю тому має обиратися за вищим із двох пікових струмів (а не за середнім значенням), зі звичайними поправочними коефіцієнтами на температуру навколишнього середовища та групування кількох кабелів (див. статтю про коефіцієнт групування). Крім того, падіння напруги на кабелі постійного струму має значення для ККД системи: занадто довгий або занижений за перерізом кабель постійного струму між акумулятором та інвертором помітно знижує ефективний ККД заряду/розряду, крім звичайних міркувань безпеки.

Контроль ізоляції та конфігурація заземлення

Шина постійного струму BESS, як і PV-стринг, зазвичай виконується без функціонального заземлення (незаземлена, IT-подібна система постійного струму), з безперервним контролем ізоляції (IMD), який сигналізує про першу несправність ізоляції без негайного відключення — див. статтю про виявлення першої несправності в системі IT для базового принципу. Це запобігає негайному відключенню всієї системи при єдиному замиканні на землю в акумуляторній батареї, але вимагає, щоб сам пристрій контролю ізоляції був справний і періодично перевірявся.

Увага: точна топологія (заземлена чи незаземлена система постійного струму, заземлення середньої точки) визначається специфікацією виробника інвертора та акумулятора і застосовним стандартом на виріб (зокрема IEC 62619 для самих акумуляторних елементів); ця стаття розглядає принцип, а не готове рішення для кожного виробника обладнання.

Практична значущість

Під час оцінки установки BESS важливо перевірити, що застосовані запобіжники та вимикачі постійного струму явно класифіковані для фактичної напруги системи постійного струму (а не лише для сили струму), що переріз кабелю постійного струму підібраний за вищим піковим струмом заряду або розряду, і що пристрій контролю ізоляції, якщо він є, справний і не зашунтований та не виведений з експлуатації.

Часті помилки

1. Застосування звичайного запобіжника або вимикача змінного струму на стороні постійного струму без перевірки, чи випробувана відключувальна здатність явно для фактичної напруги системи постійного струму — відсутність природного переходу через нуль створює реальний ризик стійкої дуги при несправності.
2. Вибір перерізу кабелю за середнім значенням потужності замість вищого пікового струму заряду або розряду — це може призвести до перевантаження під час короткочасних, але значних піків заряду або розряду.
3. Відсутність окремих запобіжників по стрингах у BESS із кількома паралельними стрингами — внутрішня несправність в одному стрингу може тоді отримувати невиявлений циркулюючий струм з іншого стринга.
4. Відсутність періодичної перевірки пристрою контролю ізоляції (IMD) незаземленої системи постійного струму — несправний IMD більше не попереджає про фактичну першу несправність в акумуляторній батареї.

Пов'язані матеріали

• Домашні акумулятори та системи накопичення енергії — вимоги до встановлення
• Літій-іонні BESS — тепловий розгін і пожежна безпека
• Система IT — виявлення першої несправності (IMD)
• Коефіцієнт групування (Cg) — групування кабелів та струмове навантаження