Le système de stockage électrochimique de l'énergie se compose de deux parties : le circuit CC et le circuit CA. Le circuit CC comprend les batteries, le système de régulation de température, le système de protection incendie, les armoires de raccordement, les conteneurs et autres équipements. Le circuit CA comprend les convertisseurs de stockage d'énergie, les transformateurs, les conteneurs, etc. L'échange d'énergie électrique entre le système de stockage et le réseau est réalisé par la conversion CA-CC du convertisseur PCS.
1. Classification des systèmes de stockage d'énergie
Selon leur structure électrique, les systèmes de stockage d'énergie à grande échelle peuvent être divisés en :
(1) Centralisé : Système de stockage d’énergie centralisé, basse tension et haute puissance, connecté au réseau. Plusieurs groupes de batteries sont connectés en parallèle, puis reliés au système de stockage d’énergie. Ce dernier vise une puissance et un rendement élevés. La solution 1 500 V est actuellement privilégiée.
(2) Distribué : système de stockage d'énergie distribué à basse tension et à faible puissance connecté au réseau, chaque groupe de batteries est connecté à une unité PCS, et le PCS adopte une configuration distribuée à faible puissance.
(3) Type de chaîne intelligente : Basé sur l'architecture du système de stockage d'énergie distribué, des technologies innovantes telles que l'optimisation énergétique au niveau du module de batterie, le contrôle énergétique du cluster unique de batterie, la gestion intelligente numérique et la conception entièrement modulaire sont adoptées pour parvenir à une application plus efficace des systèmes de stockage d'énergie.
(4) Système de stockage d'énergie haute tension en cascade : onduleur à batterie monobloc, connecté directement au réseau électrique avec un niveau de tension supérieur à 6/10/35 kV sans transformateur. La capacité d'une unité peut atteindre 5 MW/10 MWh.
(5) Type distribué : Plusieurs branches du côté CC sont connectées en parallèle, un convertisseur CC/CC est ajouté à la sortie du groupe de batteries pour isoler le groupe de batteries, et les convertisseurs CC/CC sont connectés au côté CC du PCS centralisé après la collecte.
2. L'évolution des technologies de stockage d'énergie repose sur la sécurité, le coût et l'efficacité.
La sécurité, le coût et l'efficacité sont les enjeux clés à prendre en compte dans le développement du stockage d'énergie. L'objectif principal de l'évolution de cette technologie est d'améliorer la sécurité, de réduire les coûts et d'accroître l'efficacité.
(1) Sécurité
La sécurité des centrales de stockage d'énergie est une préoccupation majeure du secteur. Les risques potentiels liés à ces centrales comprennent les incendies d'origine électrique ou liés aux batteries, les explosions d'hydrogène en cas d'incendie, ainsi que les anomalies du système. L'origine des problèmes de sécurité est généralement liée à l'emballement thermique des batteries. Ce dernier peut être dû à des surtensions mécaniques, électriques ou thermiques. Afin de prévenir tout incident, il est indispensable de surveiller rigoureusement l'état des batteries pour éviter tout risque d'emballement thermique.
(2) Haute efficacité
L'homogénéité des cellules est un facteur clé de l'efficacité du système. Elle dépend de la qualité de la batterie, de la technologie de stockage d'énergie utilisée et de son environnement de fonctionnement. Au fil des cycles de charge et de décharge, les différences entre les batteries s'accentuent. Lors d'un fonctionnement simultané, les variations de l'environnement de travail accentuent ces différences, rendant l'homogénéité des cellules particulièrement problématique. Ceci complexifie la gestion du système de gestion de batterie (BMS) et peut même engendrer des risques pour la sécurité. Lors de la conception et de l'exploitation d'une centrale de stockage d'énergie, il est donc essentiel d'optimiser l'homogénéité des batteries afin d'améliorer l'efficacité du système.
(3) Faible coût
Le coût d'un système de stockage d'énergie est lié à l'investissement initial et à sa durée de vie. Le vieillissement et la dégradation des matériaux de la batterie, le système de charge et de décharge, la température de fonctionnement et l'homogénéité des monomères influent tous sur sa durée de vie. Lorsque l'écart de température entre les modules dépasse 10 degrés, la durée de vie de la batterie est réduite de plus de 15 %. Des différences d'élévation de température entre les modules peuvent également réduire la durée de vie globale du système. Pour optimiser la durée de vie d'un système de stockage d'énergie, il est nécessaire d'améliorer la méthode de charge et de décharge, de réduire l'écart de température et d'améliorer l'homogénéité de la batterie.
3. Voie d'intégration technologique du stockage d'énergie : les schémas topologiques sont itérés progressivement
(1) Solution centralisée : le passage de 1 500 V à 1 000 V est devenu une tendance.
Avec le développement des centrales éoliennes centralisées et l'augmentation des capacités de stockage d'énergie, le courant continu haute tension est devenu la principale solution technique pour réduire les coûts et accroître l'efficacité. Les systèmes de stockage d'énergie avec une tension côté courant continu portée à 1 500 V se généralisent progressivement. Comparé aux systèmes traditionnels à 1 000 V, le système à 1 500 V augmente la tension de tenue des câbles, des modules matériels du système de gestion technique du bâtiment (GTB), des convertisseurs de puissance (PCS) et autres composants, la faisant passer de 1 000 V à 1 500 V. Cette solution technique à 1 500 V pour le stockage d'énergie est issue du photovoltaïque. Selon les statistiques de la CPIA, en 2021, la part de marché des systèmes photovoltaïques chinois fonctionnant à 1 500 V était d'environ 49,4 % et devrait atteindre près de 80 % à l'avenir. Les systèmes de stockage d'énergie à 1 500 V contribuent à améliorer la compatibilité avec les systèmes photovoltaïques.
Les performances du système de stockage d'énergie 1500 V sont supérieures à celles du système 1000 V. Prenons l'exemple de la solution de Sungrow : comparée à un système 1000 V, la densité énergétique et la densité de puissance du système de batteries augmentent de plus de 35 %. À capacité égale, la centrale électrique nécessite moins d'équipements, et le coût du système de batteries, du PCS, du BMS, des câbles et autres équipements est considérablement réduit. Les coûts d'infrastructure et d'investissement foncier sont également réduits. Selon les estimations, le coût d'investissement initial du système de stockage d'énergie 1500 V est inférieur de plus de 10 % à celui d'une solution traditionnelle. Cependant, l'augmentation de la tension du système 1500 V entraîne une hausse du nombre de batteries connectées en série, ce qui complexifie le contrôle de sa stabilité et renforce les exigences en matière de prévention et de protection contre les risques d'arc électrique continu, ainsi que de conception de l'isolation électrique.
(2) Solution distribuée : solution éprouvée et à haute efficacité
La solution distribuée, également appelée connexion parallèle multibranche côté CA, permet, contrairement à la solution centralisée, de convertir la connexion parallèle côté CC du groupe de batteries en une connexion parallèle côté CA via un onduleur de chaîne distribué. Ceci évite les risques de circulation parallèle, de perte de capacité et d'amorçage d'arcs électriques CC liés à la connexion parallèle côté CC, et améliore la sécurité de fonctionnement. Par ailleurs, la précision de la commande passe d'un groupe de batteries à un seul, ce qui accroît l'efficacité du contrôle.
La centrale de stockage d'énergie Shandong Huaneng Huangtai est la première centrale au monde de 100 mégawatts à stockage d'énergie dotée d'un système de contrôle décentralisé. Elle utilise des batteries CATL et un système PCS de Sineng Electric. Selon les estimations, une fois en service, le taux d'utilisation de la capacité des batteries de la centrale devrait atteindre environ 92 %, soit 7 points de pourcentage de plus que la moyenne actuelle du secteur. De plus, grâce au contrôle décentralisé des groupes de batteries, l'étalonnage automatique de l'état de charge (SOC) est possible, ce qui réduit considérablement la charge de travail liée à l'exploitation et à la maintenance. L'efficacité lors des tests de raccordement au réseau atteint 87,8 %. D'après les devis actuels, le système décentralisé n'est pas plus onéreux que le système centralisé.
(3) Solution de cluster intelligent : un seul package, une seule optimisation, un seul cluster, une seule gestion
La solution de stockage en série intelligente proposée par Huawei résout trois problèmes majeurs des solutions centralisées : (1) Atténuation de la capacité. Dans les solutions traditionnelles, l’utilisation de batteries engendre un « effet de court-circuit » évident. Les modules de batteries sont connectés en parallèle. Lors de la charge, lorsqu’une cellule est pleine, la charge s’arrête. Lors de la décharge, lorsqu’une cellule est vide, la décharge s’arrête. La durée de vie globale du système dépend de la batterie dont la durée de vie est la plus courte. (2) Incohérence. En fonctionnement, les variations d’homogénéité des batteries, dues aux différents environnements, entraînent une dégradation exponentielle de la capacité du système. (3) Déséquilibre des capacités. Le branchement en parallèle des batteries est susceptible de provoquer des déséquilibres de capacités, la capacité réelle étant souvent bien inférieure à la capacité nominale.
La solution de stockage en chaîne intelligente résout les trois problèmes de la solution centralisée grâce à une conception modulaire, intelligente et en chaîne : (1) Gestion en chaîne : un optimiseur d’énergie assure la gestion au niveau des modules de batterie, un contrôleur de cluster de batteries garantit l’équilibrage entre les clusters et un système de climatisation distribué réduit les écarts de température entre ces derniers. (2) Intelligence : des technologies TIC avancées, telles que l’IA et un système de gestion de batterie (BMS) basé sur le cloud, sont utilisées pour la détection des courts-circuits internes. L’IA permet de prédire l’état des batteries et des stratégies de contrôle de température intelligentes et multimodales garantissent une charge et une décharge optimales. (3) Modularisation : la conception modulaire du système de batteries permet d’isoler un module défectueux sans perturber le fonctionnement des autres modules du cluster. Grâce à la conception modulaire du contrôleur de puissance (PCS), en cas de défaillance d’un seul PCS, les autres continuent de fonctionner et, en cas de défaillance de plusieurs PCS, le système reste opérationnel.
(4) Schéma en cascade haute tension : schéma à haut rendement sans structure parallèle
La solution de stockage d'énergie en cascade haute tension est conçue grâce à l'électronique de puissance pour atteindre une tension de raccordement au réseau de 6 à 35 kV sans transformateur. Prenons l'exemple de la solution 35 kV de Xinfengfeng : un système de stockage d'énergie unitaire offre une capacité de 12,5 MW/25 MWh. Sa structure électrique est similaire à celle d'un générateur de stockage d'énergie haute tension (GST), et se compose de trois phases (A, B et C). Chaque phase comprend 42 unités de puissance en pont en H alimentant 42 groupes de batteries. Au total, 126 unités de puissance en pont en H réparties sur les trois phases alimentent 126 groupes de batteries, pour une capacité de stockage totale de 25,288 MWh d'électricité. Chaque groupe de batteries est composé de 224 cellules connectées en série.
Les avantages du système en cascade haute tension sont les suivants : (1) Sécurité. L’absence de cellules connectées en parallèle dans le système réduit les risques de dommages, limite la fréquence de remplacement, limite la zone d’impact et diminue les coûts de maintenance. (2) Cohérence. Les packs de batteries ne sont pas connectés directement, mais via une conversion AC/DC. L’équilibre de leur état de charge (SOC) est ainsi contrôlé par le convertisseur AC/DC. Chaque pack ne contient qu’un seul groupe de batteries, sans connexion en parallèle, éliminant tout problème de partage de courant. L’équilibrage entre les cellules est assuré par le système de gestion de batterie (BMS) intégré au groupe. Cette solution optimise l’utilisation de la capacité des batteries et, à puissance injectée sur le réseau égale, permet d’installer moins de batteries, réduisant ainsi l’investissement initial. (3) Haute efficacité. L’absence de cellules/groupes de batteries fonctionnant en parallèle élimine les courts-circuits et la durée de vie du système est quasiment égale à celle d’une cellule individuelle, maximisant ainsi la rentabilité du dispositif de stockage d’énergie. Le système ne nécessite pas de transformateur élévateur et son rendement réel sur site atteint 90 %.
(5) Solution distribuée : isolation CC + onduleur centralisé
Le schéma distribué est également appelé connexion parallèle multibranche côté CC. Par rapport au schéma centralisé traditionnel, un convertisseur CC/CC est ajouté à la sortie du groupe de batteries pour l'isoler. Ce convertisseur est connecté au système de commutation CC centralisé. Côté CC, 2 à 4 systèmes de commutation sont connectés en parallèle à un transformateur sur site, puis raccordés au réseau après élévation de tension. En renforçant l'isolation CC/CC du système, on évite les arcs électriques, les courants de circulation et les pertes de capacité liés à la connexion parallèle CC, ce qui améliore considérablement la sécurité et, par conséquent, le rendement du système. Cependant, la nécessité de passer par deux étages d'inversion a un impact négatif sur le rendement du système.
Date de publication : 22 septembre 2023