A comprehensive analysis of design and performance of power converters for battery energy storage systems

Abstract

O uso de sistemas de armazenamento de energia em baterias conectados `a rede elétrica tem aumentado em todo o mundo. No cenário de alto nível de penetração de fontes renováveis de energia na geração distribuída, os sistemas de armazenamento desempenham um papel importante para combinar um fornecimento de energia sustentável com uma fonte de energia despachada confiável. Diferentes topologias de sistemas para conversão de energia são empregadas para conectar as baterias `a rede, geralmente usando conversores de estágio ´único. No entanto, a tensão da bateria varia de acordo com seu estado de carga, o que pode introduzir grandes variações na tensão do barramento cc. Portanto, o estágio cc/ca deve ter suas chaves de potência projetadas para suportar essa variação de tensão. Uma tensão controlável no barramento cc é obtida inserindo um estágio cc/cc para conectar as baterias ao estágio cc/ca. Entre os conversores cc/cc, o conversor bidirecional intercalado tem sido amplamente utilizado devido ao baixo ripple da corrente de entrada e saída. No entanto, o trade-off entre custo e otimização no projeto pela inserção do estágio cc/cc ´e pouco explorado na literatura. Portanto, este trabalho apresenta uma metodologia de análise, considerando a variação da tensão da bateria e sua influência no projeto e na eficiência do sistema de conversão de energia para sistemas de armazenamento de energia em baterias. Ademais, é proposto um projeto de sistema de conversão de energia orientado para a classe de tensão das chaves, eficiência e custo. Além disso, é analisado a estrutura de controle para diferentes topologias de conversores para sistemas de armazenamento. As abordagens de projeto e comparação de conversores para sistemas de armazenamento de energia em baterias são investigadas nos resultados simulados e experimentais. Os resultados indicam as vantagens e desvantagens das topologias investigadas. Além disso, o controle de conversores conectados `a rede para sistemas de armazenamento de energia em referenciais estacionários tem sido investigado em diversos trabalhos na literatura. Um dos desafios deste método é o cálculo das referencias atuais em função das referências de potência. Em alguns trabalhos, esse problema foi resolvido com base nas equações da teoria da potência instantânea descritas em referenciais estacionários. No entanto, esta abordagem pode levar a erros de regime permanente na potência injetada se houver algum erro na malha de controle de corrente, que é o foco desta investigação. Assim, este trabalho propõe um controle de potência em malha fechada para estágios dc/ac conectados `a rede controlados em referencial estacionário. Esta estratégia é investigada experimentalmente em duas configurações de sistemas de conversão de energia para sistemas de armazenamento de energia de bateria.