Was ist ein PCS? – Bidirektionaler Energiespeicherwandler (PCS)

Der Energiespeicherwandler, auch bekannt als bidirektionaler Energiespeicherwechselrichter oder PCS (Power Conversion System), wird in netzgekoppelten Energiespeichern, Mikro-Energiespeichern und anderen Wechselstrom-gekoppelten Energiespeichersystemen eingesetzt, um Batteriespeicher mit Stromnetzen (oder Verbrauchern) zu verbinden. Er ermöglicht die bidirektionale Umwandlung elektrischer Energie. Er kann nicht nur den Gleichstrom der Speicherbatterie in Wechselstrom umwandeln und ins Netz einspeisen oder für Wechselstromverbraucher nutzen, sondern auch den Wechselstrom des Netzes in Gleichstrom gleichrichten, um die Batterie zu laden.

Der Energiespeicherwandler (PCS) besteht aus Software- und Hardwarekomponenten für Stromversorgung, Steuerung, Schutz und Überwachung. Einphasige PCS werden in Ein- und Dreiphasen-PCS unterteilt. Sie bestehen üblicherweise aus einem bidirektionalen DC/DC-Abwärtswandler und einem DC/AC-Wandler. Die DC-Anschlüsse sind in der Regel mit 48 V DC und die AC-Anschlüsse mit 220 V AC ausgelegt. Dreiphasen-PCS werden in zwei Typen unterteilt: Der leistungsschwache Dreiphasen-PCS besteht aus einem bidirektionalen DC/DC-Abwärts-/Aufwärtswandler und einem zweistufigen DC/AC-AC/DC-Wandler. Der leistungsstarke Dreiphasen-PCS besteht aus einem DC/AC-AC/DC-Wandler in der ersten Stufe. Energiespeicherwandler werden in drei Typen unterteilt: hochfrequenzisoliert, netzfrequenzisoliert und nicht-isoliert. Einphasige und leistungsschwache Dreiphasen-PCS unter 20 kW verwenden im Allgemeinen hochfrequenzisoliert, während 50 kW bis 250 kW in der Regel netzfrequenzisoliert sind. Bei Leistungen ab 500 kW wird im Allgemeinen die Methode der Nicht-Isolation angewendet.

Wichtige technische Parameter von Energiespeicherumrichtern: Aufgrund unterschiedlicher Anwendungsbereiche variieren die Funktionen und technischen Parameter von Energiespeicherumrichtern erheblich. Bei der Auswahl sind Systemspannung, Leistungsfaktor, Spitzenleistung, Wirkungsgrad, Schaltzeit usw. zu berücksichtigen, da die Wahl dieser Parameter die Funktion des Energiespeichersystems maßgeblich beeinflusst.

Es handelt sich um die Spannung des Akkus und die Eingangsspannung des Energiespeicherwandlers. Energiespeicherwandler unterschiedlicher Technologien weisen große Unterschiede in der Systemspannung auf. Einphasige, zweistufige Energiespeicherwandler arbeiten mit etwa 50 V, dreiphasige, zweistufige mit 150 V bis 550 V. Dreiphasige Energiespeicherwandler mit Trenntransformator arbeiten mit 500 V bis 800 V, dreiphasige ohne Trenntransformator mit 600 V bis 900 V.

Im Normalbetrieb des Energiespeicher-Wechselrichters sollte der Leistungsfaktor größer als 0.99 sein. Bei der Teilnahme des Systems an der Leistungsfaktorregelung sollte der Leistungsfaktorbereich so groß wie möglich sein.

Bei Energiespeicher-Wechselrichtern gibt es zwei Schaltzeiten. Die erste betrifft das Umschalten zwischen Laden und Entladen. Großflächige Energiespeicher mit umgekehrter Stromrichtung müssen ihre Betriebszustände schnell wechseln können. Üblicherweise wird ein Wechsel zwischen 90 % der Nennleistung im netzgekoppelten Ladezustand und 90 % der Nennleistung im netzgekoppelten Entladezustand gefordert, wobei die Schaltzeit maximal 200 ms beträgt. Die zweite Schaltzeit betrifft das Umschalten zwischen netzgekoppeltem und netzunabhängigem Betrieb und beträgt maximal 100 ms.

Energiespeicherumrichter arbeiten hauptsächlich in zwei Betriebsarten: netzgekoppelt und netzunabhängig. Im netzgekoppelten Betrieb erfolgt die bidirektionale Energieumwandlung zwischen Batteriespeicher und Stromnetz. Mit den Eigenschaften netzgekoppelter Wechselrichter, wie z. B. Inselnetzschutz, automatischer Phasen- und Frequenzanpassung an das Netz sowie Unterspannungsschutz, wandelt der Umrichter je nach Bedarf der Netzverteilung oder lokalen Steuerung den Wechselstrom des Netzes in Gleichstrom um, lädt den Batteriespeicher und übernimmt dessen Lade- und Entlademanagement. Während Lastspitzen im Netz wandelt er den Gleichstrom des Batteriespeichers in Wechselstrom um und speist diesen ins öffentliche Netz ein. Bei schlechter Netzqualität speist er das Stromnetz ein, nimmt Wirkleistung auf oder kompensiert Blindleistung. Im netzunabhängigen Betrieb, auch Inselbetrieb genannt, kann der Umrichter je nach Bedarf und unter Einhaltung der vorgegebenen Anforderungen vom Hauptnetz getrennt werden und lokale Teillasten mit Wechselstrom versorgen, der den Anforderungen des Netzes an die Netzqualität entspricht.

In einem Mikronetzsystem mit mehreren Energiequellen sind Energiespeicher die Kernkomponenten. Erneuerbare Energiequellen wie Photovoltaik und Windkraft sind volatil, ebenso wie die Lasten. Brennstoffbetriebene Generatoren hingegen können nur Strom erzeugen, aber nicht aufnehmen. Besteht das System ausschließlich aus Photovoltaik, Windkraft und Brennstoffgeneratoren, kann es zu einem Ungleichgewicht kommen. Übersteigt die Leistung der erneuerbaren Energien die der Lasten, kann das System ausfallen. Der Energiespeicher kann dann überschüssige Energie aufnehmen und abgeben. Dank seiner schnellen Reaktionszeit trägt er maßgeblich zum Systemausgleich bei.