Architecture et principe de fonctionnement du système de stockage d'énergie par batterie (BESS)

Avec le développement des énergies renouvelables et l’avancement rapide de la transition énergétique mondiale, le système de stockage d’énergie par batterie (BESS) joue un rôle de plus en plus important dans les systèmes énergétiques modernes. Adoptant une technologie avancée de batterie lithium-ion, BESS stocke l’énergie électrique dans des batteries et la distribue à la demande en cas de besoin, contribuant ainsi à maintenir le fonctionnement stable du réseau électrique. Parallèlement, il peut être intégré à des dispositifs de production d’énergie renouvelable pour obtenir une gestion énergétique plus efficace. Cet article fournira une introduction détaillée à l'architecture de base du système de stockage d'énergie par batterie et aux principes de fonctionnement de ses composants clés.

La structure et le flux d'énergie du système BESS sont présentés dans la figure ci-dessous. PCS est un convertisseur DC/AC bidirectionnel,

BESS comprend les éléments clés suivants :

1. Batterie

Une batterie est formée de plusieurs cellules connectées en série et en parallèle (avec une plage de tension de cellule de 2,5 V à 3,65 V), qui sont responsables du stockage et de la libération de l'énergie électrique. Pour augmenter la tension de la batterie, les blocs-batteries sont connectés en série pour former des racks de batteries ou des groupes de batteries (avec une tension allant jusqu'à 1 500 V CC). Pour augmenter la capacité énergétique, les racks/clusters de batteries sont connectés en parallèle pour former des conteneurs de batteries (généralement de 20 pieds, avec une capacité d'environ 5 MWh).

Les types de cellules comprennent les batteries lithium-ion, les batteries au plomb et d'autres types, et les batteries avec des performances différentes sont généralement sélectionnées en fonction de scénarios d'application spécifiques à travers lesquels l'énergie circule des panneaux photovoltaïques vers les batteries, les charges et le réseau électrique.

2. Système de gestion de batterie (BMS)

Le BMS (Battery Management System) est un système de base conçu pour surveiller et gérer les batteries avec une multitude de fonctions vitales. Grâce à la surveillance en temps réel des paramètres de la batterie, notamment la tension, le courant et la température, le BMS maintient la batterie dans des limites sûres et évite efficacement les risques tels que la surcharge, la décharge excessive, les courts-circuits et la surchauffe. De plus, il exploite des stratégies intelligentes de charge-décharge et des technologies de gestion d’équilibrage pour optimiser les performances de la batterie et prolonger sa durée de vie. Il adopte également des technologies d'équilibrage passif ou actif pour éliminer « l'effet cask » provoqué par des niveaux de puissance incohérents entre les cellules individuelles de la batterie. Parallèlement, le BMS est capable d'estimer l'état de charge (SOC) et l'état de santé (SOH) de la batterie, fournissant ainsi une assistance précise pour le fonctionnement sûr et l'optimisation des performances des batteries. Le schéma fonctionnel du système BMS présenté ci-dessous illustre intuitivement ses fonctions et composants globaux. Pour plus de détails, veuillez vous référer aux solutions BMS empilables sur le site officiel d'Infineon.

3. Système de conversion de puissance (PCS)

Le PCS sert de dispositif intermédiaire entre les composants de stockage d'énergie (tels que les gros blocs-batteries CC) et le réseau électrique CA, effectuant une conversion bidirectionnelle de l'énergie électrique avec son principe de fonctionnement couvrant les modes de charge et de décharge.

En mode charge, le PCS convertit le courant alternatif du réseau électrique en courant continu et stocke l'énergie électrique dans des batteries. Alternativement, il utilise un convertisseur DC/DC pour ajuster le courant continu à la tension et au courant adaptés au chargement de la batterie, afin d'obtenir une charge efficace de la batterie.

En mode décharge, le PCS transforme le courant continu des batteries en courant alternatif pour alimenter les charges électriques ou alimenter le réseau électrique. Dans un autre scénario, un convertisseur DC/DC module d'abord le courant continu des batteries à la tension et au courant correspondant aux exigences de fonctionnement de l'onduleur, après quoi l'onduleur DC/AC convertit le courant continu conditionné en courant alternatif. En fonction des exigences des applications, les PCS sont classés en types de stations de stockage d'énergie résidentielles, industrielles et commerciales et à grande échelle. Largement déployé dans les ménages, les entreprises et les systèmes de stockage d’énergie à grande échelle, il est devenu un élément essentiel indispensable des systèmes énergétiques modernes. La figure ci-dessous illustre le schéma fonctionnel du système PCS, qui affiche explicitement ses composants principaux et son mécanisme de fonctionnement. Pour plus de détails, veuillez vous référer à l'introduction du système de conversion de puissance (PCS) sur le site officiel d'Infineon.

4. Système de gestion de l'énergie (EMS)

Le système de gestion de l'énergie (EMS) est un système intelligent conçu pour surveiller, contrôler et optimiser le flux d'énergie et la consommation des systèmes énergétiques. EMS collecte des données en temps réel, notamment l'état de charge et de décharge de la batterie, la température, la tension et le courant via des capteurs. Il adopte une technologie d'analyse de données pour surveiller le fonctionnement du système, identifier les problèmes potentiels et améliorer l'efficacité de l'utilisation de l'énergie. De plus, EMS peut répartir intelligemment les installations de stockage d'énergie en fonction de la demande d'énergie, des prix de l'électricité, de la charge du réseau et d'autres conditions pour parvenir à une consommation d'énergie efficace. Il dispose également de fonctions de détection de défauts et de protection de sécurité, qui peuvent avertir en temps opportun d'anomalies telles que la surcharge et la décharge excessive de la batterie, et prend en charge la télécommande et la protection des liaisons pour garantir le fonctionnement sûr du système. Selon les exigences spécifiques de l'application, la plateforme de surveillance EMS peut adopter une architecture C/S (Client/Serveur) ou B/S (Navigateur/Serveur). La figure ci-dessous montre le schéma topologique du système EMS d'une centrale électrique de stockage d'énergie et de la plate-forme de surveillance de l'EMS de stockage d'énergie, présentant l'architecture globale du système ainsi que les modes détaillés de flux et de gestion de l'énergie.

5. Système auxiliaire

Le système auxiliaire du système de stockage d'énergie est la clé pour garantir le fonctionnement sûr et stable du système, qui comprend les composants suivants : Le système de contrôle de la température gère efficacement la température de la batterie par refroidissement par air ou par liquide pour éviter qu'une surchauffe ou un sous-refroidissement n'affecte les performances et la durée de vie de la batterie. Le système de protection incendie est équipé de dispositifs de détection d'incendie et d'extinction automatique (tels que des extincteurs à heptafluoropropane, à gaz et à poudre sèche) pour répondre rapidement aux risques d'incendie potentiels et garantir la sécurité de fonctionnement. L'armoire de distribution d'énergie assume des fonctions de distribution d'énergie et de protection des circuits pour éviter les dommages aux équipements causés par des défauts. L'armoire de combinaison collecte l'énergie électrique des modules de batterie et la transmet à l'équipement de conversion de puissance, tout en offrant une surveillance et une protection de sécurité en temps réel. Ces sous-systèmes auxiliaires fonctionnent en coordination pour assurer le fonctionnement efficace, sûr et stable du système de stockage d'énergie dans diverses conditions.

Le système de stockage d'énergie par batterie (BESS) réalise un stockage d'énergie efficace, une planification intelligente et une gestion sûre de l'énergie grâce au fonctionnement coordonné des packs de batteries, des BMS, des PCS, des EMS et des systèmes auxiliaires. Tout en soutenant le fonctionnement stable du réseau électrique, le BESS est profondément intégré aux énergies renouvelables, fournissant un soutien solide pour améliorer l'efficacité de l'utilisation de l'énergie et promouvoir la transition énergétique mondiale, et continuera à jouer un rôle vital dans le système énergétique à l'avenir.