Защита от перенапряжений для систем накопления энергии на основе аккумуляторов (BESS): постоянный ток‑шина, преобразователь мощности и интерфейсы связи

1. Почему объекты BESS нуждаются в многоуровневой защите

Система накопления энергии на основе аккумуляторов (BESS) объединяет высокотоковые цепи постоянного тока, сетевое преобразование переменного тока и систему управления в компактном исполнении — зачастую в виде контейнера или набора наружных шкафов. Такая конфигурация делает её одновременно чувствительной к переходным процессам по нескольким направлениям: импульсным перенапряжениям, вызванным молнией, на наружных кабелях; коммутационным перенапряжениям от сетевого подключения; а также переходным процессам, распространяющимся по линиям связи. Планирование Устройство защиты от перенапряжений BESS Поэтому начинается с проводки, а не с отдельного изделия.

Каждая часть системы работает на определённом типе цепи и напряжении, поэтому обычно для каждой из них подбирается собственное защитное устройство. Четыре перечисленные ниже пути представляют собой полезный контрольный список при анализе объекта — будь то небольшой коммерческий шкаф или контейнерная установка мощностью в несколько мегаватт.

2. Четыре пути входа в режим перепада напряжения

На практике перенапряжения поступают в систему накопления энергии на основе аккумуляторов (BESS) по четырём основным путям: через кластер аккумуляторов и его постоянный токовый шинопровод, через переменную сторону системы преобразования электроэнергии (PCS), через сеть связи BMS/EMS и через вспомогательный источник питания. На приведённой ниже схеме показано, как эти компоненты взаимосвязаны.

Одно защитное устройство не охватывает все четыре. Одно… Полиция округа Колумбия для BESS Защищает шину аккумуляторов, но ничего не говорит о клеммах переменного тока, соединениях RS‑485/CAN и вспомогательном источнике питания; каждый из них уточняется отдельно.

3. Батарейный блок и постоянный токовый шинопровод

Сторона аккумуляторной батареи представляет собой непеременнопоточный постоянный токовый контур. Его напряжение изменяется в зависимости от состояния заряда — повышается при зарядке и снижается при разрядке — и источник способен выдавать значительный ток короткого замыкания. Поэтому предохранитель выбирается с учётом максимального постоянного напряжения, которое фактически достигает шина (включая верхний предел заряда), а не номинального значения, указанного на модулях.

Ещё два момента отличают батарейный шинопровод от других применений постоянного тока. Во‑первых, через преобразователь мощности (PCS) ток может протекать в обоих направлениях, поэтому устройство защиты должно выдерживать эксплуатационные режимы как заряда, так и разряда. Во‑вторых, соединение осуществляется между проводниками шинопровода и заземлением в соответствии с проектной схемой заземления объекта — этот момент необходимо уточнять на однолинейной схеме, а не принимать за данность.

Для данной схемы применимым стандартом является IEC 61643‑41, который охватывает устройства защиты от перенапряжений, подключаемые к низковольтным системам постоянного тока напряжением до 1500 В. Этот стандарт служит базовым для применения в неперспективных (нефотовольтаических) областях и является эталоном, по которому обычно оценивается защитное устройство для шины аккумуляторов.

Практическим следствием является то, что два объекта с одинаковым номинальным напряжением аккумуляторной батареи могут по‑прежнему требовать различных устройств защиты, если их режимы заземления или уровни токов замыкания на землю различаются. По этой причине устройство защиты от перенапряжений для системы хранения энергии на основе аккумуляторов выбирается не только на основании номинального напряжения; предел заряда, полярность заземления и ожидаемый ток короткого замыкания — каждый из этих параметров подтверждается в проектной документации перед тем, как предлагается конкретная модель.

4. Сторона переменного тока ПКС

PCS соединяет постоянный токовый шинопровод с сетью или локальной нагрузкой, а его переменная сторона подвержена тем же переключательным и атмосферным перенапряжениям, что и любой преобразователь мощности, подключённый к сети. An Устройство защиты от перенапряжения для переменного тока Здесь выбирается в соответствии с напряжением питающей сети переменного тока и схемой заземления системы; как правило, он устанавливается на входе сети переменного тока или на клеммах преобразователя. Сторона переменного тока представляет собой отдельную цепь, не связанную с шиной постоянного тока, и проектируется отдельно, в соответствии с… МЭК 61643-11 .

Поскольку система накопления энергии на основе аккумуляторов (BESS) способна как потреблять, так и отдавать электроэнергию, для её нормальной двунаправленной работы выбирается защитное устройство со стороны переменного тока; это типичная схема применения в сетях переменного тока, которая не изменяет принципиального выбора устройства защиты, однако точка подключения и конфигурация трансформаторов должны учитываться при определении типа защиты и номинала тока отключения.

5. Связь BMS / EMS

Система управления аккумуляторными батареями (BMS) и система управления энергией (EMS) опираются на низковольтные информационные линии связи — обычно RS‑485, CAN или Ethernet, — прокладываемые между стойками, шкафами и пультовой. Эти линии весьма чувствительны: даже если силовые цепи остаются невредимыми, переходный процесс, индуцированный в кабеле связи, способен вывести из строя управляющую электронику.

Сигнально‑данный УЗИ выбирается в зависимости от типа интерфейса и напряжения линии и, как правило, устанавливается в каждом месте ввода наружного кабеля связи в распределительный шкаф. Защитные устройства для телекоммуникационных и сигнальных сетей рассчитываются по МЭК 61643‑21 , включая линии, передающие питание, такие как Power over Ethernet. Как и в случае со скоростью передачи данных, номинальное напряжение линии, поддерживаемое конкретной моделью, следует уточнять из её технического паспорта, а не делать выводы на основе типа разъёма.

При прокладке наружных коммуникаций также следует учитывать экранирование: экран кабеля должен быть соединён с заземляющей системой в месте его ввода в распределительный шкаф, а устройство защиты должно располагаться как можно ближе к этому вводу. Если в составе информационной линии используется разъём без экранирования, то заземляющий вывод устройства защиты становится основным путём отвода перенапряжения, поэтому длина и трассировка его проводников имеют существенное значение.

6. Вспомогательная энергия

Вспомогательное питание — небольшие источники переменного или постоянного тока, питающие систему управления зданием (BMS), датчики, вентиляторы и цепи безопасности — легко упустить из виду, однако оно находится в том же корпусе. Вспомогательная линия питания, подводимая снаружи или совместно использующая распределительный пункт с управляющей электроникой, должна быть защищена так же, как любая другая входящая линия электропитания. Устройство подбирается в соответствии с вспомогательным напряжением и его источником, который часто отличается от основной шины постоянного тока.

7. DC‑SPD для BESS и PV‑SPD: не взаимозаменяемы

Повсеместно возникает вопрос, можно ли повторно использовать устройство защиты от перенапряжений для фотоэлектрических систем на шине аккумуляторов, поскольку оба эти контура работают на постоянном токе. На самом деле эти два контура существенно различаются. Фотоэлектрическая цепь представляет собой генератор с ограничением тока, характеризующийся односторонним потоком энергии и специфическим поведением при авариях; батарейная шина — это двунаправленный источник с низким импедансом, имеющий иные характеристики при отказах. Соответствующие стандарты чётко отражают это разделение.

• МЭК 61643‑31 охватывает устройства защиты от перенапряжений, предназначенные для постоянного тока в фотоэлектрических генераторах и инверторах; сам стандарт уточняет, что устройства защиты от перенапряжений для фотогальванических систем с накопителями энергии (например, аккумуляторами) являются… не покрыто .
• МЭК 61643‑41 охватывает устройства защиты от перенапряжений для низковольтных систем постоянного тока в целом и служит эталоном для непередающих устройств на шине постоянного тока, например для цепочки аккумуляторов.

Другими словами, a устройство защиты от перенапряжения для аккумуляторной системы хранения энергии на шине постоянного тока выбирается в соответствии с IEC 61643‑41, тогда как устройство со стороны фотоэлектрической установки выбирается в соответствии с МЭК 61643-31 . Рассматривать их как взаимозаменяемые не рекомендуется и нельзя делать без инженерного анализа напряжения цепи, тока короткого замыкания и системы заземления.

Практическое пересечение ограничивается тем, что оба являются постоянными токами. А ФВ СПД Он оптимизирован для цепи с ограничением тока и характером отказа со стороны генератора, тогда как УЗИП на шине аккумуляторов, как ожидается, должен работать от источника с низким импедансом и двунаправленным током. Размещение одного устройства в цепи другого может привести к эксплуатации с неверными значениями напряжения и характеристиками защиты от аварийных режимов; поэтому в спецификациях эти два устройства указываются раздельно.

8. Таблица рисков для переменного тока, постоянного тока и сигнала

Приведённые выше позиции носят справочный характер; соответствующий продукт для конкретного объекта утверждается инженером на основании технического паспорта и однолинейной схемы.

9. Заземление и уравнивание потенциалов

Каждый защитный элемент в системе хранения энергии на основе аккумуляторов (BESS) опирается на низкоимпедансную заземлённую точку. Заземление шины аккумуляторов, заземление преобразователя мощности (PCS), заземление сети переменного тока, экранирование кабелей связи и каркас корпуса обычно соединяются в одну общую точку в соответствии с проектом заземления объекта. Длинные или тонкие заземляющие провода снижают эффективность защитных устройств, поэтому выбор сечения и трассировки проводников является не второстепенным вопросом, а обязательным этапом проектирования. В случае применения на объекте изолированной или высокосопротивительной схемы заземления необходимо согласовать режим подключения защитных устройств постоянного тока и сигнальных цепей с данной схемой. В контейнерных системах при монтаже следует также проверить электрическое соединение между корпусом контейнера, внутренними шинами и внешним заземляющим электродом, поскольку недостаточно надёжное соединение корпуса может лишить внутренние защитные устройства надёжной опорной точки.

10. Как указать для объекта BESS

Обычно запрос можно сопоставить с подходящими моделями, если в нём указано:

• Постоянное напряжение, фактически присутствующее на шине аккумуляторов, включая предельное значение заряда и полярность заземления.
• Топология ПКС — диапазон постоянного тока, напряжение переменного тока и наличие трансформатора.
• Используемые коммуникационные интерфейсы (RS‑485, CAN, Ethernet, а также любые наружные линии связи).
• Вспомогательное напряжение питания и источник.
• Планировка площадки и существующая система заземления.

11. Часто задаваемые вопросы

Можно ли повторно использовать устройство защиты от перенапряжений для фотоэлектрических систем на шине аккумуляторной батареи системы хранения энергии?

Как правило, нет. Устройства защиты от перенапряжений для фотоэлектрических систем предназначены для постоянного тока и устанавливаются на стороне генераторов и инверторов в соответствии с IEC 61643‑31, которая прямо исключает системы накопления энергии. Для батарейных шин применяется стандарт IEC 61643‑41, и повторное использование без инженерного анализа параметров напряжения, токов короткого замыкания и заземления не рекомендуется.

Какой стандарт применяется к DC‑УЗИ для систем хранения энергии?

DC‑сторона системы накопления энергии представляет собой нефотогальваническую цепь постоянного тока, поэтому защитное устройство обычно оценивается в соответствии со стандартом IEC 61643‑41 — «Устройства защиты от перенапряжений, подключаемые к низковольтным системам электропитания постоянного тока напряжением до 1500 В постоянного тока».

Достаточно ли одного защитного устройства от перенапряжения для всей системы?

Как правило, нет. Переменное напряжение в системе PCS, каналы передачи данных BMS/EMS и вспомогательное питание — это отдельные цепи, каждая из которых защищена собственным предохранителем. Устройство защиты от перенапряжений постоянного тока на шине аккумуляторов не заменяет защиту переменного тока или сигнальных цепей.

Почему предельный уровень заряда имеет значение для отбора?

Напряжение батарейной шины повышается во время зарядки, поэтому защитное устройство, выбранное исключительно по номинальному напряжению, может оказаться недостаточно мощным при предельном значении напряжения зарядки. Максимальное длительное рабочее напряжение устройства должно превышать наибольшее постоянное напряжение шины.

Куда следует устанавливать сигнальные УЗИП в системе хранения энергии?

Защитные устройства для сигналов и данных обычно устанавливаются в каждом месте, где наружный кабель связи входит в распределительный шкаф, а также на портах оборудования, если это предусмотрено техническим паспортом. Модель выбирается исходя из типа интерфейса и напряжения линии.

Какая информация необходима для подтверждения модели?

Напряжение шины постоянного тока, включая предел заряда и полярность заземления, топология преобразователя мощности (PCS), интерфейсы связи и планировка объекта. Благодаря этим данным инженер может оценить соответствие продукта техническим характеристикам из паспорта и однолинейной схемы.