Giới thiệu
Việc triển khai nhanh chóng các Hệ thống Lưu trữ Năng lượng Pin (BESS) đã tạo ra một thách thức an toàn quan trọng mà nhiều kỹ sư phát hiện ra quá muộn: các bộ ngắt mạch DC tiêu chuẩn được thiết kế cho các ứng dụng quang điện mặt trời bị hỏng nghiêm trọng khi bảo vệ các hệ thống lưu trữ pin. Sự cố này không phải là vấn đề về sản xuất kém hoặc các vấn đề về chất lượng—mà là sự không phù hợp cơ bản giữa các thông số kỹ thuật thiết kế của bộ ngắt mạch và các đặc tính dòng điện sự cố cực đoan vốn có của các khối pin lithium-ion.
Nguyên nhân gốc rễ rất đơn giản nhưng thường bị hiểu lầm. Các hệ thống PV mặt trời tạo ra dòng điện ngắn mạch thường giới hạn ở mức xấp xỉ 1,25 lần dòng điện hoạt động định mức của chúng (Isc ≈ 1,25 × Ioc). Các bộ ngắt mạch DC định mức 6kA hoặc 10kA tiêu chuẩn xử lý các mức sự cố này một cách dễ dàng. Ngược lại, các cài đặt BESS có các cell pin điện trở trong thấp có thể cung cấp dòng điện sự cố gấp 10 đến 50 lần dòng điện định mức của chúng trong vòng mili giây sau sự kiện ngắn mạch. Khi một bộ ngắt mạch định mức 10kA cố gắng ngắt một sự cố pin 30kA, kết quả là có thể đoán trước được: không dập tắt được hồ quang, phá hủy vỏ và có khả năng gây ra hỏa hoạn.
Bài viết này xem xét lý do tại sao các định mức khả năng cắt cao—cụ thể là 20kA, 30kA và 50kA Icu (Khả năng cắt cuối cùng)—không phải là các thông số kỹ thuật tùy chọn mà là các yêu cầu an toàn bắt buộc đối với bảo vệ BESS. Chúng ta sẽ phân tích các khác biệt kỹ thuật giữa các đặc tính sự cố của PV và pin, giải thích sự khác biệt quan trọng giữa các định mức Icu và Ics, đồng thời cung cấp hướng dẫn kỹ thuật để lựa chọn các thiết bị bảo vệ được định mức phù hợp.
Sự khác biệt cơ bản giữa ngắn mạch PV và BESS
PV mặt trời: Đặc tính sự cố giới hạn dòng điện
Các mô-đun quang điện hoạt động như các nguồn giới hạn dòng điện trong các điều kiện sự cố do vật lý vốn có của chúng. Khi một chuỗi PV gặp sự cố ngắn mạch, dòng điện sự cố tối đa có sẵn bị giới hạn bởi định mức dòng điện ngắn mạch của tấm (Isc), thường chỉ vượt quá dòng điện điểm công suất tối đa (Imp) từ 15-25%. Mối quan hệ này được xác định bởi đường đặc tính I-V của mô-đun và vẫn tương đối không đổi bất kể số lượng chuỗi song song, giả sử cầu chì chuỗi thích hợp được triển khai.
Ví dụ: một tấm đơn tinh thể 400W được định mức ở Imp = 10A thường sẽ có Isc = 11-12A. Ngay cả trong một trang trại năng lượng mặt trời quy mô lớn với nhiều hộp kết hợp, dòng điện sự cố tiềm năng tại bất kỳ vị trí bộ ngắt mạch nào hiếm khi vượt quá 6kA và thường vẫn ở dưới 3kA. Đây là lý do tại sao các MCB tuân thủ IEC 60947-2 được định mức ở 6kA hoặc 10kA đã được chứng minh là phù hợp trong nhiều thập kỷ lắp đặt năng lượng mặt trời. Dòng điện sự cố của hệ thống PV có thể dự đoán được, tính toán được và vẫn nằm trong khả năng cắt của bảo vệ mạch điện cấp dân dụng và thương mại tiêu chuẩn.
BESS: Khả năng dòng điện sự cố không giới hạn
Các hệ thống lưu trữ năng lượng pin hoạt động theo các nguyên tắc điện hóa hoàn toàn khác nhau. Lithium-ion, lithium iron phosphate (LFP) và các hóa chất pin hiện đại khác thể hiện điện trở trong được đo bằng miliôm (mΩ)—thường là 2-10mΩ trên mỗi cell tùy thuộc vào hóa chất, trạng thái sạc và nhiệt độ. Khi nhiều cell được cấu hình theo cách sắp xếp nối tiếp-song song để đạt được các mục tiêu về điện áp và dung lượng của hệ thống, điện trở trong tổng hợp của khối pin trở nên cực kỳ thấp.
Xem xét một ví dụ thực tế: Một khối pin lithium 48V 200Ah bao gồm 16 cell nối tiếp (16S) với mỗi cell có điện trở trong 5mΩ tạo ra tổng điện trở khối xấp xỉ 80mΩ (0,080Ω). Theo một sự cố ngắn mạch bắt bu-lông, Định luật Ohm quy định dòng điện sự cố tiềm năng: Isc = V / R = 48V ÷ 0,080Ω = 600A. Tuy nhiên, phép tính này đánh giá thấp đáng kể thực tế vì hai lý do quan trọng.
Đầu tiên, phép tính chỉ giả định điện trở trong của bộ pin. Trong các kịch bản sự cố thực tế, điện trở của các thanh cái, đầu nối và kết nối dây trong đường dẫn sự cố có thể chỉ tổng cộng thêm 5-20mΩ điện trở. Thứ hai, và quan trọng hơn, các cài đặt BESS hiện đại thường sử dụng các giá pin song song để đạt được dung lượng cao hơn. Với bốn giá 48V 200Ah song song, điện trở trong hiệu dụng giảm xuống còn 20mΩ, tạo ra dòng điện sự cố tiềm năng là 2.400A—nhưng điều này vẫn đánh giá thấp vấn đề.
Yếu tố quan trọng mà các kỹ sư thường bỏ qua là dòng điện đỉnh không đối xứng trong nửa chu kỳ đầu tiên của sự khởi đầu sự cố DC. Do không có điểm cắt dòng điện tự nhiên trong các hệ thống DC và điện cảm hiện diện trong các kết nối pin, dòng điện sự cố đỉnh tức thời có thể đạt từ 2,0 đến 2,5 lần giá trị tính toán ở trạng thái ổn định. Đối với ví dụ trạng thái ổn định 2.400A của chúng ta, dòng điện sự cố đỉnh có thể tăng đột biến lên 5.000-6.000A. Trong các cài đặt BESS quy mô tiện ích với hàng trăm mô-đun pin song song, dòng điện sự cố tiềm năng thường xuyên vượt quá 30kA và trong một số trường hợp được ghi lại đã đạt 50kA trở lên.
Để hiểu chi tiết về kiến trúc hệ thống BESS và các đường dẫn dòng điện sự cố, hãy tham khảo hướng dẫn toàn diện của chúng tôi về các hệ thống lưu trữ năng lượng pin.
Bảng so sánh: Đặc tính sự cố PV so với BESS
| Tham số | Hệ thống điện mặt trời PV | Hệ thống lưu trữ năng lượng pin |
|---|---|---|
| Trở kháng nguồn | Cao (giới hạn dòng điện bởi vật lý cell) | Cực kỳ thấp (2-10mΩ trên mỗi cell) |
| Tỷ lệ Isc/Irated điển hình | 1,15 – 1,25× | 10 – 50× |
| Thời gian tăng dòng điện sự cố | 10-50ms (chi phối bởi phóng điện tụ điện) | <1ms (phóng điện điện hóa trực tiếp) |
| Dòng điện sự cố tiềm năng (Dân dụng) | 0,5 – 3kA | 5 – 20kA |
| Dòng điện sự cố tiềm năng (Thương mại) | 2 – 6kA | 20 – 35kA |
| Dòng điện sự cố tiềm năng (Quy mô tiện ích) | 5 – 10kA | 30 – 50kA+ |
| Hệ số dòng điện không đối xứng đỉnh | 1,3 – 1,5× | 2,0 – 2,5× |
| Định mức bộ ngắt mạch tiêu chuẩn (Đầy đủ) | 6kA – 10kA | 20kA – 50kA |
| Độ khó dập tắt hồ quang | Vừa phải (giới hạn dòng điện tự nhiên) | Cực đoan (cung cấp năng lượng liên tục) |
Sự khác biệt cơ bản này giải thích tại sao một bộ ngắt mạch bảo vệ thành công một mảng năng lượng mặt trời 10kW sẽ bị hỏng nghiêm trọng khi được lắp đặt trong một hệ thống pin 10kWh có định mức công suất tương tự. Các đặc tính dòng điện sự cố không thể so sánh được—chúng tồn tại ở các bậc độ lớn hoàn toàn khác nhau.
Hiểu Icu và Ics: Tại sao cả hai đều quan trọng trong BESS
Xác định khả năng cắt cuối cùng (Icu)
Khả năng cắt ngắn mạch cuối cùng được định mức, được chỉ định là Icu trong IEC 60947-2 và Icn trong IEC 60898-1 cho các bộ ngắt mạch thu nhỏ, đại diện cho dòng điện sự cố tiềm năng tối đa mà một bộ ngắt mạch có thể ngắt thành công trong các điều kiện thử nghiệm trong phòng thí nghiệm mà không gây phá hủy thảm khốc cho thiết bị. Quy trình thử nghiệm được xác định trong IEC 60947-2 Điều 8.3.5 đưa bộ ngắt mạch vào một trình tự cụ thể: O (thao tác mở) – 3 phút – CO (thao tác đóng-mở). Nếu bộ ngắt mạch ngắt thành công dòng điện thử nghiệm mà không gây nổ, cháy hoặc hàn tiếp điểm, nó sẽ đáp ứng định mức Icu của nó.
Điều quan trọng là, việc vượt qua thử nghiệm Icu không đảm bảo bộ ngắt mạch vẫn hoạt động sau đó. Tiêu chuẩn IEC cho phép rõ ràng các hư hỏng đối với các thành phần bên trong của bộ ngắt mạch, sự xói mòn của các tiếp điểm và sự suy giảm của các ống dập hồ quang, miễn là sự cố được xóa một cách an toàn. Sau khi ngắt sự cố ở mức Icu, bộ ngắt mạch phải được kiểm tra và thường được thay thế. Trong các ứng dụng BESS, nơi các thiết bị bảo vệ có thể gặp nhiều sự kiện sự cố trong suốt vòng đời hệ thống 20 năm, việc chỉ dựa vào các định mức Icu sẽ tạo ra gánh nặng bảo trì nguy hiểm và khoảng trống an toàn tiềm ẩn.
Xác định khả năng cắt dịch vụ (Ics)
Khả năng cắt ngắn mạch dịch vụ được định mức (Ics) đại diện cho mức dòng điện sự cố mà tại đó bộ ngắt mạch có thể thực hiện nhiều thao tác ngắt và vẫn hoàn toàn có thể sử dụng được—có khả năng tiếp tục hoạt động ở dòng điện định mức của nó mà không bị suy giảm. IEC 60947-2 Điều 8.3.6 chỉ định trình tự thử nghiệm Ics: O – 3 phút – CO – 3 phút – CO. Sau ba lần ngắt sự cố thành công ở mức dòng điện Ics, bộ ngắt mạch phải vượt qua các thử nghiệm tăng nhiệt, đặc tính cắt và độ bền cơ học để xác minh rằng nó vẫn nằm trong thông số kỹ thuật.
Ics được biểu thị bằng tỷ lệ phần trăm của Icu: 25%, 50%, 75% hoặc 100%. Đối với MCB dân dụng và thương mại nhẹ (IEC 60898-1, Loại B), Ics phải ít nhất là 50%, 75% hoặc 100% Icn. Đối với MCCB công nghiệp và các thiết bị bảo vệ BESS chuyên dụng (IEC 60947-2), Ics dao động từ 25% đến 100% Icu tùy thuộc vào thiết kế của nhà sản xuất và ứng dụng dự kiến.
Tầm quan trọng cụ thể của Ics cao đối với BESS
Trong các hệ thống lưu trữ pin, định mức Ics quan trọng hơn Icu vì hai lý do vận hành. Thứ nhất, các cài đặt BESS trải qua các chu kỳ ứng suất lặp đi lặp lại bao gồm dòng điện khởi động trong quá trình sạc, quá trình quá độ phóng điện trong các hoạt động cắt đỉnh và các sự kiện sự cố tiềm ẩn do chạy trốn nhiệt, hỏng cách điện hoặc lỗi bảo trì. Một bộ ngắt mạch được định mức ở 50kA Icu nhưng chỉ 25kA Ics (tỷ lệ 50%) có thể ngắt thành công một sự cố 35kA một lần nhưng yêu cầu thay thế ngay lập tức, dẫn đến thời gian ngừng hoạt động của hệ thống và tăng chi phí vòng đời.
Thứ hai, hậu quả của việc bộ ngắt mạch bị hỏng trong môi trường BESS nghiêm trọng hơn đáng kể so với trong các ứng dụng PV. Các hệ thống pin lưu trữ một lượng lớn năng lượng có thể được giải phóng ngay lập tức. Một bộ ngắt mạch bị hỏng tạo ra một sự cố hồ quang điện với năng lượng sự cố có sẵn có khả năng vượt quá 100 cal/cm², vượt xa định mức bảo vệ của PPE được định mức hồ quang tiêu chuẩn. Nhiệt độ hồ quang có thể đạt tới 35.000°F (19.400°C), đủ để làm bay hơi các thanh cái đồng và đốt cháy các vật liệu xung quanh. Trong các cài đặt BESS dạng container ngoài trời, một sự cố bộ ngắt mạch duy nhất có thể lan sang các giá liền kề thông qua bức xạ nhiệt và plasma đồng trong không khí.
Lợi thế kỹ thuật của VIOX: Các bộ ngắt mạch DC được định mức BESS của VIOX có Ics = 100% Icu trên các dòng sản phẩm 20kA, 30kA và 50kA của chúng tôi. Điều này có nghĩa là một bộ ngắt mạch VIOX 30kA duy trì khả năng sử dụng đầy đủ sau khi ngắt các sự cố 30kA—không suy giảm, không thay thế bắt buộc, không tăng rủi ro trong các sự kiện sự cố tiếp theo. Triết lý thiết kế này loại bỏ vấn đề “anh hùng một phát” thường thấy trong các MCB công nghiệp tiêu chuẩn, nơi các định mức Icu cao che giấu hiệu suất Ics không đầy đủ.
Để phân tích kỹ thuật chi tiết về các định mức bộ ngắt mạch và ý nghĩa của chúng trong bảo vệ sự cố, hãy xem hướng dẫn của chúng tôi để hiểu các định mức Icu, Ics, Icw và Icm.
Bảng so sánh: Bộ ngắt mạch BESS tiêu chuẩn so với hiệu suất cao
| Loại máy cắt | Định mức Icu | Khả năng cắt ngắn mạch danh định Ics | Tỷ lệ Ics/Icu | Tuổi thọ sau sự cố | Ứng dụng được đề xuất |
|---|---|---|---|---|---|
| MCB dân dụng tiêu chuẩn | 6kA | 3kA | 50% | Thay thế sau sự cố 3kA | Chỉ tải AC dân dụng |
| MCB thương mại tiêu chuẩn | 10kA | 5kA | 50% | Thay thế sau sự cố 5kA | AC/DC thương mại nhẹ |
| MCCB công nghiệp (cấp thấp) | 50kA | 12,5kA | 25% | Thay thế sau sự cố 12.5kA | Phân phối không quan trọng |
| MCCB công nghiệp (cấp trung) | 50kA | 25kA | 50% | Thay thế sau sự cố 25kA | Đường cấp nguồn công nghiệp tiêu chuẩn |
| MCB VIOX được định mức cho BESS | 20kA | 20kA | 100% | Không cần thay thế | ESS dân dụng (5-20kWh) |
| MCCB VIOX được định mức cho BESS | 30kA | 30kA | 100% | Không cần thay thế | BESS thương mại (50-500kWh) |
| MCCB VIOX được định mức cho BESS | 50kA | 50kA | 100% | Không cần thay thế | BESS quy mô tiện ích (1MWh+) |
Tại sao Aptomat 6kA/10kA Hỏng trong Ứng dụng BESS
Cơ Chế Hỏng Do Dập Hồ Quang
Khi các tiếp điểm của aptomat tách ra khi có tải, một hồ quang điện hình thành trong khoảng trống giữa các tiếp điểm cố định và di động. Trong hệ thống AC, hồ quang tự tắt tại điểm dòng điện bằng không xảy ra 100 hoặc 120 lần mỗi giây (50Hz hoặc 60Hz), cho phép máng dập hồ quang của aptomat có thời gian làm mát và khử ion đường đi của hồ quang. Hệ thống DC thiếu điểm dòng điện bằng không tự nhiên này, đòi hỏi aptomat phải cưỡng bức dập tắt hồ quang thông qua thiết kế máng dập hồ quang, cuộn dây thổi từ và khoảng cách tách tiếp điểm nhanh chóng.
Một MCB định mức 6kA hoặc 10kA chứa một máng dập hồ quang được định kích thước và tối ưu hóa để xử lý dòng điện sự cố lên đến giá trị định mức của nó. Khi tiếp xúc với sự cố 20kA hoặc 30kA từ một bộ pin, ba cơ chế hỏng xảy ra đồng thời:
- Quá tải nhiệt: Năng lượng hồ quang (E = V × I × t) vượt quá khả năng tản nhiệt của máng dập hồ quang. Nhiệt độ plasma hồ quang tăng lên trên 20.000°C, làm nóng chảy các tấm chia hồ quang và thành buồng trong vòng 10-20 mili giây đầu tiên.
- Bão hòa từ: Hệ thống thổi từ của aptomat, được thiết kế để đẩy hồ quang lên trên vào các tấm chia, trở nên bão hòa khi dòng điện sự cố vượt quá giới hạn thiết kế từ 2-3 lần. Hồ quang bị đình trệ tại khu vực tiếp xúc thay vì di chuyển vào buồng dập tắt.
- Hàn tiếp điểm: Ở dòng điện sự cố cao hơn định mức của aptomat, lực điện từ giữa các tiếp điểm trong quá trình mở có thể đạt tới hàng nghìn Newton. Nếu lực lò xo của cơ cấu vận hành không thể vượt qua lực hút từ này đủ nhanh, các tiếp điểm sẽ hàn lại với nhau. Aptomat vẫn đóng, cung cấp dòng điện sự cố liên tục cho đến khi bảo vệ ở thượng nguồn hoạt động hoặc bộ pin được ngắt kết nối thủ công.
Nghiên cứu điển hình: Aptomat 10kA so với Sự cố BESS 30kA
Xem xét một hệ thống BESS thương mại: hệ thống pin lithium iron phosphate (LFP) 100kWh, danh định 400VDC, được cấu hình thành bốn chuỗi song song gồm 100S cell (3.2V danh định trên mỗi cell). Mỗi chuỗi đóng góp dung lượng 100Ah với điện trở trong 3mΩ trên mỗi cell, tạo ra tổng điện trở chuỗi là 300mΩ và 75mΩ cho cấu hình bốn song song. Thêm 25mΩ cho thanh cái, kết nối và dây dẫn — tổng điện trở đường dẫn sự cố bằng 100mΩ (0.1Ω).
Tính toán dòng điện sự cố tiềm năng:
- Isc ổn định = 400V ÷ 0.1Ω = 4.000A
- Dòng điện không đối xứng đỉnh (hệ số 2.2×) = 8.800A ≈ 8.8kA
Một kỹ sư xem xét tính toán này có thể kết luận rằng MCB định mức 10kA cung cấp khả năng bảo vệ đầy đủ với hệ số an toàn 13%. Đây là một sai lầm nghiêm trọng. Tính toán giả định rằng tất cả điện trở vẫn không đổi trong quá trình xảy ra sự cố. Trong thực tế, điện trở trong của pin giảm khi nhiệt độ cell tăng lên trong quá trình phóng điện. Ở nhiệt độ cao (45-60°C), điện trở cell giảm 20-30%. Các thanh cái và kết nối đường dẫn sự cố cũng nóng lên, nhưng mức tăng điện trở của chúng không đáng kể so với mức giảm trở kháng của pin.
Dòng điện sự cố đã sửa đổi ở nhiệt độ pin 50°C:
- Điện trở cell giảm: 2.1mΩ × 100S = 210mΩ trên mỗi chuỗi
- Bốn song song: 52.5mΩ + 25mΩ (kết nối) = 77.5mΩ
- Isc ổn định = 400V ÷ 0.0775Ω = 5.161A
- Dòng điện không đối xứng đỉnh = 11.4kA
Aptomat 10kA hiện đang hoạt động vượt quá Icu định mức của nó 14%. Quan trọng hơn, nếu Ics của aptomat là 50% của Icu (5kA, điển hình cho MCB cấp dân dụng), thì sự cố này vượt quá định mức dịch vụ 2.3 lần. Kết quả dự kiến: ngắt sự cố thành công với hư hỏng nghiêm trọng bên trong, bắt buộc phải thay thế aptomat và thời gian ngừng hoạt động của hệ thống kéo dài hàng giờ hoặc hàng ngày tùy thuộc vào tính khả dụng của phụ tùng thay thế.
Nếu sự cố thứ hai xảy ra trước khi thay thế aptomat — một kịch bản hoàn toàn có thể xảy ra trong các hệ thống BESS nhiều giá đỡ với xác suất sự cố độc lập — aptomat bị suy giảm sẽ không ngắt được, dẫn đến hỏa hoạn thảm khốc.
Định mức Aptomat Yêu cầu cho Cấu hình BESS Phổ biến
| Cấu hình BESS | Hệ Thống Điện Áp | Dung tích | Điện trở Trong Điển hình | Isc Tiềm năng (Đỉnh) | Icu Tối thiểu Yêu cầu | Icu Được Đề Xuất | Đề Nghị Breaker, |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ESS Dân Dụng (Pin Đơn) | 48VDC | 5-10kWh | 80-100mΩ | 1.200A | 10kA | 20kA | MCB DC (2P) |
| ESS Dân Dụng (Song Song) | 48VDC | 10-20kWh | 40-60mΩ | 2.400A | 15kA | 20kA | MCB DC (2P) |
| BESS Thương Mại (Nhỏ) | 400VDC | 50-100kWh | 50-80mΩ | 12kA | 20kA | 30kA | MCCB DC (2P) |
| BESS Thương mại (Vừa) | 600VDC | 100-500kWh | 30-60mΩ | 24kA | 30kA | 50kA | MCCB DC (2P) |
| BESS Tiện ích (Cấp Tủ Rack) | 800VDC | 500kWh-1MWh | 20-40mΩ | 35kA | 50kA | 50kA + Cầu chì HRC | MCCB DC (2P) với Cầu chì Nối tiếp |
| BESS Tiện ích (Cấp Chuỗi) | 1000VDC | 1-5MWh | 15-30mΩ | 50kA+ | 65kA | 65kA + Cầu chì 300kA | Phối hợp MCCB DC + Cầu chì HRC |
Lưu ý kỹ thuật: Icu tối thiểu thể hiện yêu cầu đã tính toán với hệ số an toàn 1,5× theo hướng dẫn của IEC 60947-2. Icu được khuyến nghị bao gồm biên độ bổ sung cho việc giảm định mức nhiệt độ, ảnh hưởng của lão hóa và mở rộng hệ thống trong tương lai. Không bao giờ chỉ định một bộ ngắt mạch nơi dòng điện sự cố tiềm năng vượt quá 80% Icu định mức.
Lựa chọn Bộ ngắt mạch DC phù hợp cho BESS: Quyết định 20kA/30kA/50kA
Tính toán Dòng điện Ngắn mạch Tiềm năng
Tính toán chính xác dòng điện sự cố là nền tảng của việc lựa chọn bộ ngắt mạch phù hợp. Các kỹ sư phải tính đến năm thông số chính:
- Điện áp Hệ thống (V): Sử dụng điện áp sạc tối đa, không phải điện áp danh định. Đối với hệ thống danh định 48V (lithium 16S), điện áp sạc tối đa là 57,6V (3,6V trên mỗi cell). Sự gia tăng 20% này chuyển trực tiếp thành dòng điện sự cố cao hơn 20%.
- Điện trở Bên trong Pin (Rbatt): Lấy thông tin này từ bảng dữ liệu của nhà sản xuất pin, thường được chỉ định ở trạng thái sạc (SoC) 50% và 25°C. Đối với các cell lăng trụ khổ lớn, điện trở dao động từ 0,5mΩ (loại ô tô cao cấp) đến 3mΩ (lưu trữ cố định tiêu chuẩn). Các cell hình trụ (18650, 21700) có điện trở cao hơn: 15-40mΩ trên mỗi cell.
- Số lượng Chuỗi song song (Np): Cấu hình song song chia tổng điện trở. Bốn chuỗi song song làm giảm điện trở hiệu dụng xuống 25% giá trị của một chuỗi đơn: Reff = Rsingle / Np.
- Điện trở Kết nối (Rconn): Thanh cái, đầu nối và cáp đóng góp 15-40mΩ tùy thuộc vào thiết kế hệ thống. Các kết nối thanh cái bắt bu lông chất lượng cao với mô-men xoắn >200 in-lb đạt 15-20mΩ. Các đầu cáp ép trên các đầu nối phân phối có thể đạt 30-40mΩ.
- Hệ số Giảm định mức Nhiệt độ (k): Điện trở pin giảm theo nhiệt độ. Sử dụng k = 0,7 cho hoạt động thời tiết nóng nhất (nhiệt độ pin 50-60°C).
Công thức dòng điện sự cố hoàn chỉnh:
Isc(ổn định) = Vmax / [k × (Rbatt/Np + Rconn)]
Isc(đỉnh) = 2,2 × Isc(ổn định)
Ví dụ đã thực hiện:
- Hệ thống: 400VDC, 200kWh, hóa học LFP
- Cấu hình: 8 chuỗi song song, 125S trên mỗi chuỗi
- Dữ liệu cell: 3,2V danh định, 3,65V tối đa, điện trở bên trong 2mΩ ở 25°C
- Điện áp tối đa: 125S × 3,65V = 456V
- Điện trở chuỗi đơn: 125 × 2mΩ = 250mΩ
- Điện trở song song: 250mΩ / 8 = 31,25mΩ
- Điện trở kết nối: 25mΩ (đo được)
- Tổng điện trở nguội: 56,25mΩ
- Điện trở nóng (k=0,7): 0,7 × 31,25mΩ + 25mΩ = 46,9mΩ
- Isc trạng thái ổn định: 456V / 0,0469Ω = 9.723A
- Isc đỉnh: 2,2 × 9.723A = 21,4kA
Bộ ngắt mạch yêu cầu: Icu tối thiểu = 21,4kA × hệ số an toàn 1,25 = 26,75kA. Chỉ định MCCB định mức 30kA.
Hướng dẫn Lựa chọn Dựa trên Ứng dụng
ESS dân dụng nhỏ (5-20kWh): Các hệ thống trong phạm vi này thường sử dụng bộ pin 48V với dòng điện sự cố tiềm năng từ 5kA đến 15kA đỉnh. MCB DC 20kA được định mức phù hợp cung cấp khả năng bảo vệ đầy đủ với biên độ an toàn tích hợp. MCB dòng VIOX VX-DC20 (Icu 20kA, Ics 20kA, kích thước khung 1-63A) được thiết kế đặc biệt cho ứng dụng này với khả năng dập tắt hồ quang hai chiều và chứng nhận UL 1077.
BESS Thương mại (50-500kWh): Các hệ thống quy mô trung bình hoạt động ở 400-800VDC với dòng điện sự cố đạt 20-35kA. Danh mục này yêu cầu bảo vệ MCCB—MCB tiêu chuẩn thiếu lực tiếp xúc và thể tích máng hồ quang cần thiết để ngắt đáng tin cậy ở các mức năng lượng này. Chỉ định MCCB định mức 30kA hoặc 50kA tùy thuộc vào tính toán sự cố cụ thể. Không bao giờ sử dụng MCB loại dân dụng trong các lắp đặt pin thương mại bất kể dòng điện định mức phù hợp—khả năng cắt là hoàn toàn không đủ.
BESS Quy mô Tiện ích (1MWh+): Các lắp đặt lớn với hàng trăm mô-đun pin song song đẩy dòng điện sự cố tiềm năng vượt quá 50kA. Ở các mức năng lượng này, chỉ bảo vệ MCCB có thể là không đủ. Triển khai chiến lược bảo vệ xếp tầng: MCCB cấp chuỗi (50kA) được hỗ trợ bởi cầu chì HRC định mức 300kA trở lên ở cấp tủ rack/tủ. Cách tiếp cận này được trình bày chi tiết trong phần tiếp theo.
Để biết thông số kỹ thuật toàn diện và hướng dẫn lựa chọn về bộ ngắt mạch vỏ đúc trong các ứng dụng lưu trữ pin, hãy xem xét hướng dẫn MCCB chi tiết của chúng tôi.
Vai trò của Cầu chì trong BESS Dung lượng Siêu cao
Khi Chỉ Riêng Bộ Ngắt Mạch Là Không Đủ
Trong các hệ thống BESS quy mô lớn và hệ thống thương mại lớn, nơi dòng điện sự cố tiềm năng vượt quá 50kA, việc chỉ dựa vào bộ ngắt mạch sẽ gây ra hai rủi ro. Thứ nhất, ngay cả MCCB loại 50kA cao cấp cũng đang hoạt động gần khả năng thiết kế tối đa của chúng, để lại rất ít biên độ an toàn cho các lỗi tính toán, nhiệt độ khắc nghiệt hoặc sửa đổi hệ thống. Thứ hai, chi phí và kích thước vật lý của MCCB định mức 65kA+ trở lên trở nên quá cao đối với bảo vệ cấp chuỗi, nơi yêu cầu hàng chục thiết bị.
Giải pháp là bảo vệ phối hợp cầu chì-bộ ngắt mạch. Cầu chì High Rupturing Capacity (HRC) định mức 300kA hoặc 400kA cung cấp bảo vệ dự phòng cuối cùng ở cấp giá đỡ hoặc tủ, trong khi MCCB 30kA hoặc 50kA bảo vệ các chuỗi hoặc mô-đun riêng lẻ. Điều này tạo ra một sơ đồ phối hợp chọn lọc, trong đó MCCB loại bỏ tình trạng quá tải và sự cố vừa phải lên đến định mức Ics của nó, trong khi cầu chì chỉ hoạt động trong các điều kiện sự cố cực đoan vượt quá khả năng của bộ ngắt mạch.
Chiến lược phối hợp chọn lọc
Việc phối hợp cầu chì-bộ ngắt mạch thích hợp đòi hỏi phải phân tích cẩn thận các đường cong thời gian-dòng điện để đảm bảo tính chọn lọc. Thời gian nóng chảy tối thiểu của cầu chì ở dòng điện sự cố tối đa của bộ ngắt mạch phải vượt quá tổng thời gian cắt của bộ ngắt mạch (thời gian phóng hồ quang + thời gian tách tiếp điểm) theo tỷ lệ tối thiểu là 2:1 theo hướng dẫn của IEEE 242. Điều này ngăn chặn “hiện tượng cầu chì khó chịu”, trong đó cầu chì hoạt động trước khi bộ ngắt mạch có cơ hội loại bỏ sự cố.
Nghiên cứu phối hợp mẫu cho BESS thương mại 600VDC:
- Bảo vệ cấp chuỗi: MCCB VIOX 50kA, khung 125A, thời gian cắt 10ms ở 50kA
- Bảo vệ cấp giá đỡ: Cầu chì HRC 250A, định mức ngắt 300kA, thời gian nóng chảy 30ms ở 50kA
- Tỷ lệ phối hợp: 30ms / 10ms = 3:1 (vượt quá yêu cầu tối thiểu)
- Kết quả: Các sự cố dưới 50kA được MCCB loại bỏ mà không cần cầu chì hoạt động. Các sự cố trên 50kA được cầu chì loại bỏ với MCCB cung cấp khả năng ngắt kết nối sau khi sự cố bị gián đoạn.
Chiến lược này giảm đáng kể chi phí bảo trì. Các sự cố cấp chuỗi được MCCB loại bỏ, vẫn có thể sử dụng được theo định mức Ics 100% của nó và không cần thay thế. Chỉ những sự cố thảm khốc vượt quá tính toán thiết kế—một sự kiện hiếm gặp trong các hệ thống được thiết kế đúng cách—mới dẫn đến hoạt động của cầu chì và thời gian ngừng hoạt động liên quan để thay thế cầu chì.
Để biết thông số kỹ thuật chi tiết và hướng dẫn ứng dụng về cầu chì công suất cắt cực cao trong hệ thống lưu trữ pin, hãy xem hướng dẫn đầy đủ về bảo vệ cầu chì HRC 300kA.
Kiến trúc bảo vệ đa cấp
BESS quy mô lớn thường triển khai ba cấp độ bảo vệ:
- Cấp độ ô/mô-đun: Hệ thống quản lý pin (BMS) tích hợp với khả năng ngắt kết nối điện tử. Không được thiết kế để ngắt sự cố—cung cấp cảnh báo sớm và tắt có kiểm soát.
- Cấp độ chuỗi: MCCB 30kA hoặc 50kA bảo vệ từng chuỗi song song nối tiếp. Các thiết bị này loại bỏ 90% tất cả các sự kiện sự cố bao gồm hỏng cách điện, lỗi đầu nối và đoản mạch một phần.
- Cấp độ giá đỡ/tủ: Cầu chì HRC 250-400A định mức 300kA+. Cung cấp bảo vệ dự phòng cuối cùng và ngắt kết nối toàn bộ giá đỡ trong các sự cố đa chuỗi hoặc đoản mạch bên ngoài trên bus DC.
Cách tiếp cận phân lớp này đảm bảo ngăn chặn sự cố, ngăn chặn sự cố lan sang thiết bị lân cận và duy trì khả năng hoạt động của hệ thống trong các trường hợp lỗi đơn điểm.
Giải pháp bộ ngắt mạch DC dành riêng cho BESS của VIOX
Ưu điểm kỹ thuật của các sản phẩm được xếp hạng BESS của VIOX
VIOX Electric đã phát triển một dòng sản phẩm toàn diện các bộ ngắt mạch DC được thiết kế đặc biệt cho các yêu cầu riêng của hệ thống lưu trữ năng lượng pin. Không giống như các bộ ngắt mạch AC được tái sử dụng hoặc các thiết bị bảo vệ DC chung, các sản phẩm được xếp hạng BESS của VIOX kết hợp bốn cải tiến thiết kế quan trọng:
1. Định mức Ics 100% (Ics = Icu): Tất cả các bộ ngắt mạch BESS của VIOX đều đạt được công suất cắt dịch vụ đầy đủ tương đương với công suất cắt cuối cùng của chúng. Một bộ ngắt mạch VIOX 30kA duy trì đầy đủ chức năng sau khi ngắt các sự cố 30kA nhiều lần. Điều này loại bỏ vấn đề “anh hùng một lần bắn” trong đó các bộ ngắt mạch công nghiệp tiêu chuẩn với tỷ lệ Ics 25-50% yêu cầu thay thế sau một sự kiện sự cố lớn duy nhất. Trong vòng đời BESS 20 năm, triết lý thiết kế này giúp giảm chi phí bảo trì từ 40-60% so với MCCB tiêu chuẩn.
2. Dập tắt hồ quang hai chiều: Các ứng dụng BESS liên quan đến dòng điện hai chiều—xả trong thời gian cao điểm và nguồn điện dự phòng, sạc trong thời gian thấp điểm và các giai đoạn tạo năng lượng mặt trời. Các bộ ngắt mạch DC tiêu chuẩn sử dụng hệ thống thổi hồ quang nam châm vĩnh cửu bị phân cực: chúng chỉ hoạt động chính xác theo một hướng dòng điện. Nếu dòng điện đảo ngược, từ trường sẽ chống lại chuyển động của hồ quang vào buồng chia, gây ra tình trạng hồ quang bị đình trệ và không dập tắt được. VIOX sử dụng hệ thống thổi hồ quang cuộn dây điện từ với hình học ống dẫn hồ quang độc lập với cực tính, đảm bảo ngắt đáng tin cậy bất kể hướng dòng điện. Điều này là bắt buộc đối với BESS và được UL 1077 Phần 46 yêu cầu rõ ràng đối với các ứng dụng DC hai chiều.
3. Thiết kế buồng hồ quang nâng cao: Dòng điện sự cố của pin cung cấp năng lượng giải phóng liên tục vượt quá đáng kể các sự cố AC do máy biến áp cung cấp có cường độ tương đương. Bộ ngắt mạch BESS của VIOX kết hợp các buồng hồ quang có thể tích lớn hơn 40% so với MCCB công nghiệp tiêu chuẩn, các tấm dẫn hồ quang mở rộng được chế tạo từ hợp kim bạc-vonfram (so với đồng tiêu chuẩn) và các tấm chia gốm hai hàng cung cấp khối lượng nhiệt và cách điện vượt trội. Các tính năng này đảm bảo điện áp hồ quang tăng nhanh chóng để vượt quá điện áp đầu cuối của pin, buộc dòng điện hồ quang về không và cho phép dập tắt đáng tin cậy trong vòng 10-15ms.
4. Tính ổn định nhiệt ở dòng điện liên tục: Các ứng dụng BESS khác với tải động cơ hoặc máy biến áp công nghiệp điển hình ở cấu hình dòng điện liên tục của chúng. Hệ thống pin có thể duy trì dòng điện xả định mức 100% trong nhiều giờ trong các sự kiện nguồn điện dự phòng kéo dài hoặc các chương trình phản hồi nhu cầu. Bộ ngắt mạch BESS của VIOX trải qua quá trình kiểm tra tăng nhiệt kéo dài theo IEC 60947-2 Điều khoản 8.3.2—1000 giờ ở dòng điện định mức trong môi trường 40°C—đảm bảo nhiệt độ đầu cuối tăng vẫn dưới 50K và điện trở tiếp xúc không tăng quá 150% giá trị ban đầu. MCCB công nghiệp tiêu chuẩn thường được định mức cho chu kỳ hoạt động không liên tục và có thể bị suy giảm nhiệt trong điều kiện tải pin liên tục.
Chứng nhận và Tuân thủ
Bộ ngắt mạch BESS của VIOX tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế điều chỉnh các thiết bị bảo vệ DC:
- Tiêu chuẩn IEC 60947-2: Thiết bị đóng cắt và điều khiển điện áp thấp – Bộ ngắt mạch. Bao gồm các yêu cầu về cấu trúc, giới hạn tăng nhiệt độ, kiểm tra độ bền cơ/điện và xác minh hiệu suất ngắn mạch bao gồm định mức Icu và Ics.
- UL 1077: Thiết bị bảo vệ bổ sung để sử dụng trong thiết bị điện. Áp dụng cho bộ ngắt mạch thu nhỏ (MCB) trong phạm vi 1-63A. Chỉ định kiểm tra khả năng ngắt DC ở điện áp định mức với kiểm tra hai chiều bắt buộc đối với các yêu cầu về bộ ngắt mạch không phân cực.
- Tiêu chuẩn UL489: Bộ ngắt mạch vỏ đúc, công tắc vỏ đúc và vỏ bộ ngắt mạch. Bao gồm MCCB trên 63A. Bao gồm các yêu cầu về dung sai hiệu chuẩn cho các bộ phận ngắt từ nhiệt và kiểm tra ngắn mạch ở tỷ lệ X/R đại diện cho trở kháng của pin.
Kiểm tra và chứng nhận của bên thứ ba đảm bảo các sản phẩm của VIOX đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về an toàn và hiệu suất cần thiết để bảo vệ tài sản pin trị giá hàng triệu đô la và ngăn ngừa các tình huống sự cố thảm khốc.
Cài đặt và các phương pháp hay nhất về an toàn
Giảm định mức nhiệt độ và độ cao
Định mức của bộ ngắt mạch được chỉ định ở các điều kiện kiểm tra tiêu chuẩn: nhiệt độ môi trường 40°C và độ cao ≤2000m. Các cài đặt BESS thường vượt quá các điều kiện này, đặc biệt là trong các hệ thống chứa ngoài trời hoặc cài đặt trên mái nhà. Nhiệt độ môi trường cao làm giảm khả năng mang dòng điện và hiệu suất ngắn mạch có sẵn của bộ ngắt mạch, trong khi độ cao lớn làm giảm mật độ không khí và khả năng dập tắt hồ quang.
Nhiệt độ giảm tải: Cứ mỗi 10°C trên 40°C môi trường, hãy giảm định mức dòng điện liên tục của bộ ngắt mạch từ 5-8% tùy thuộc vào thông số kỹ thuật của nhà sản xuất. Một bộ ngắt mạch 125A được lắp đặt trong thùng chứa BESS hoạt động ở nhiệt độ bên trong 60°C phải được giảm định mức xuống khoảng 100-110A dòng điện liên tục tối đa.
Độ cao giảm tải: Trên 2000m, giảm khả năng cắt 0,5% trên mỗi 100m tăng độ cao theo IEC 60947-2 Phụ lục B. Một bộ ngắt mạch 50kA được lắp đặt ở độ cao 3000m cung cấp khả năng cắt hiệu quả khoảng 45kA.
Khi chỉ định bộ ngắt mạch cho các ứng dụng BESS, hãy luôn tính đến các điều kiện môi trường xấu nhất. Chọn kích thước khung bộ ngắt mạch với biên độ dòng điện 20-30% và định mức khả năng cắt với biên độ dòng điện sự cố tối thiểu 1,5× sau khi áp dụng tất cả các hệ số giảm định mức.
Kiến trúc bảo vệ cấp chuỗi so với cấp giá đỡ so với cấp hệ thống
Chiến lược bảo vệ tối ưu phụ thuộc vào cấu trúc liên kết BESS, cường độ dòng điện sự cố và các yêu cầu về độ tin cậy:
Bảo vệ cấp chuỗi: Mỗi chuỗi song song nối tiếp có một bộ ngắt mạch chuyên dụng ở các đầu cực dương và âm của nó. Điều này cung cấp khả năng cách ly sự cố tối đa—một sự cố chuỗi duy nhất không ảnh hưởng đến các chuỗi khác hoặc yêu cầu tắt toàn bộ hệ thống. Được khuyến nghị cho các hệ thống trên 100kWh, nơi chi phí thay thế chuỗi biện minh cho chi phí bộ ngắt mạch bổ sung.
Bảo vệ cấp giá đỡ: Nhiều chuỗi trong một giá đỡ hoặc tủ pin dùng chung một thiết bị bảo vệ chung tại điểm kết nối bus DC. Giảm số lượng thành phần và chi phí lắp đặt nhưng yêu cầu cách ly toàn bộ giá đỡ trong quá trình xảy ra sự cố. Thích hợp cho các hệ thống nhỏ hơn (50-200kWh) với các mô-đun pin phù hợp và xác suất sự cố thấp.
Bảo vệ cấp hệ thống: Bộ ngắt mạch chính đơn bảo vệ toàn bộ BESS tại kết nối biến tần. Chỉ thích hợp cho các hệ thống dân dụng nhỏ (<20kWh) nơi dòng điện sự cố vẫn có thể quản lý được và độ nhạy về chi phí hệ thống cao. Không được khuyến nghị cho các cài đặt thương mại hoặc tiện ích do thiếu khả năng cách ly sự cố và thời gian ngừng hoạt động kéo dài trong quá trình bảo dưỡng thiết bị bảo vệ.
Các nhóm kỹ thuật của VIOX khuyên dùng bảo vệ cấp chuỗi với cầu chì dự phòng cấp giá đỡ cho tất cả các cài đặt BESS thương mại và tiện ích trên công suất 200kWh.
Yêu cầu bộ ngắt mạch không phân cực cho các ứng dụng hai chiều
Điểm này không thể được nhấn mạnh quá mức: hệ thống pin hai chiều yêu cầu bộ ngắt mạch không phân cực. Các bộ ngắt mạch DC tiêu chuẩn được thiết kế cho tải một chiều (PV, ổ đĩa động cơ DC) kết hợp các hệ thống thổi hồ quang nam châm vĩnh cửu được tối ưu hóa cho dòng điện theo một hướng. Khi các thiết bị này được lắp đặt trong các ứng dụng BESS, chúng hoạt động chính xác trong quá trình xả pin (dòng điện chạy từ cực dương của pin về phía tải) nhưng bị hỏng nghiêm trọng trong quá trình sạc (dòng điện chạy vào cực dương của pin).
Cơ chế hỏng hóc rất đơn giản: hướng từ trường của nam châm vĩnh cửu hỗ trợ chuyển động của hồ quang vào buồng chia trong quá trình xả nhưng chống lại chuyển động của hồ quang trong quá trình sạc. Thay vì bị thổi lên trên vào các ống dẫn hồ quang, hồ quang bị đình trệ tại khu vực tiếp xúc trong quá trình xảy ra sự cố theo hướng sạc. Nhiệt độ hồ quang vượt quá khả năng chịu nhiệt của vật liệu tiếp xúc trong vòng mili giây, gây ra hiện tượng hàn tiếp xúc hoặc thủng vỏ.
Bộ ngắt mạch BESS của VIOX sử dụng hệ thống thổi hồ quang cuộn dây điện từ mà không có nam châm vĩnh cửu. Cuộn dây tạo ra một từ trường tỷ lệ với cường độ dòng điện sự cố và tự động định hướng để đẩy hồ quang vào buồng chia bất kể hướng dòng điện. Điều này làm tăng thêm 15-20% vào chi phí sản xuất nhưng không thể thương lượng để đảm bảo an toàn cho BESS.
Lịch trình kiểm tra và bảo trì
Thực hiện giao thức kiểm tra và thử nghiệm sau cho các thiết bị bảo vệ BESS:
Kiểm tra trực quan hàng tháng: Kiểm tra xem có bị đổi màu xung quanh các đầu cực của bộ ngắt mạch hay không (cho biết các kết nối bị lỏng và ứng suất nhiệt), xác minh không có hư hỏng vật lý nào đối với vỏ hoặc phần cứng lắp, xác nhận rằng bộ ngắt mạch không ở vị trí ngắt mà không có kiến thức của người vận hành.
Khảo sát nhiệt hàng quý: Sử dụng camera hồng ngoại, đo nhiệt độ các đầu nối trong quá trình vận hành ở tải định mức. Nhiệt độ tăng lên so với nhiệt độ môi trường không được vượt quá 50K. Các đầu nối có nhiệt độ tăng >70K cho thấy các kết nối lỏng lẻo cần được kiểm tra và sửa chữa mô-men xoắn ngay lập tức.
Kiểm tra cắt mạch hàng năm: Sử dụng nút kiểm tra của bộ ngắt mạch hoặc thiết bị kiểm tra cuộn cắt mạch bên ngoài, xác minh chức năng cắt mạch cơ học hoạt động chính xác. Việc này không kiểm tra quá tải hoặc hiệu chuẩn cắt mạch ngắn mạch, nhưng xác nhận cơ chế cắt mạch không bị kẹt hoặc hư hỏng.
Đo điện trở tiếp xúc hai năm một lần: Với bộ ngắt mạch được cách ly và khóa, đo điện trở tiếp xúc bằng đồng hồ đo điện trở thấp kỹ thuật số (DLRO) ở dòng điện thử 100A DC theo tiêu chuẩn IEC 60947-2 Điều 8.3.2. Điện trở tiếp xúc không được vượt quá 150% giá trị do nhà sản xuất công bố cho bộ ngắt mạch mới. Điện trở tăng cho thấy sự ăn mòn tiếp xúc và hiệu suất ngắn mạch bị suy giảm.
Kiểm tra hiệu chuẩn năm năm một lần: Sau năm năm hoạt động hoặc sau bất kỳ sự gián đoạn sự cố nào vượt quá 50% Ics, bộ ngắt mạch phải được kiểm tra hiệu chuẩn đầy đủ bởi phòng thí nghiệm kiểm tra đủ điều kiện. Điều này bao gồm xác minh đường cong cắt mạch ở các vùng quá tải, thời gian ngắn và tức thời, cũng như điện trở tiếp xúc, điện trở cách điện và kiểm tra độ bền cơ học.
Các bộ ngắt mạch đã làm gián đoạn các sự cố gần với định mức Icu của chúng phải được thay thế ngay lập tức bất kể tình trạng bên ngoài. Hư hỏng buồng dập hồ quang bên trong không thể nhìn thấy bên ngoài nhưng có thể ảnh hưởng đến khả năng gián đoạn sự cố trong tương lai.
Những Câu Hỏi Thường
H: Sự khác biệt chính giữa dòng điện ngắn mạch PV và BESS là gì?
Đ: Các hệ thống PV mặt trời là các nguồn giới hạn dòng điện với dòng điện ngắn mạch (Isc) thường chỉ gấp 1,15-1,25 lần dòng điện hoạt động định mức do vật lý tế bào quang điện vốn có. Hệ thống lưu trữ năng lượng pin có điện trở trong cực thấp (2-10mΩ trên mỗi ô), cho phép dòng điện sự cố gấp 10-50 lần dòng điện định mức. Một mảng năng lượng mặt trời 10kW có thể tạo ra dòng điện sự cố tối đa 3kA, trong khi hệ thống pin 10kWh có thể cung cấp 20kA trở lên. Sự khác biệt cơ bản này đòi hỏi các bộ ngắt mạch DC cho BESS phải có khả năng cắt (Icu) là 20kA, 30kA hoặc 50kA so với 6kA hoặc 10kA đủ cho các ứng dụng PV.
H: Tại sao tôi không thể sử dụng MCB 10kA tiêu chuẩn trong hệ thống pin của mình?
Đ: Một bộ ngắt mạch 10kA được thiết kế và thử nghiệm để cắt dòng điện sự cố lên đến 10.000 ampe trong điều kiện phòng thí nghiệm. Hệ thống pin thường xuyên tạo ra dòng điện sự cố từ 20kA đến 50kA do điện trở trong thấp của chúng. Khi một bộ ngắt mạch 10kA cố gắng xóa một sự cố pin 30kA, năng lượng hồ quang vượt quá khả năng nhiệt của buồng dập hồ quang của bộ ngắt mạch, gây ra sự đình trệ hồ quang, hàn tiếp xúc và khả năng hỏng hóc nổ. Bộ ngắt mạch không thể dập tắt hồ quang—sự cố tiếp tục cho đến khi bảo vệ ngược dòng hoạt động hoặc pin bị ngắt kết nối thủ công. Điều này tạo ra nguy cơ hỏa hoạn nghiêm trọng và thiệt hại thiết bị lan rộng vượt ra ngoài bộ ngắt mạch bị hỏng.
H: Ics = 100% Icu có nghĩa là gì và tại sao nó lại quan trọng?
Đ: Icu (Khả năng cắt tối đa) là dòng điện sự cố tối đa mà bộ ngắt mạch có thể cắt mà không bị nổ. Ics (Khả năng cắt dịch vụ) là mức dòng điện sự cố mà bộ ngắt mạch có thể cắt nhiều sự cố và vẫn hoạt động đầy đủ. Nhiều bộ ngắt mạch tiêu chuẩn có Ics = 50% Icu, có nghĩa là bộ ngắt mạch 30kA chỉ có thể xử lý đáng tin cậy các sự cố 15kA nhiều lần. Nếu nó cắt một sự cố 25kA, bộ ngắt mạch có thể thành công nhưng sẽ bị hỏng bên trong và cần phải thay thế. Các bộ ngắt mạch VIOX BESS đạt được Ics = 100% Icu—một bộ ngắt mạch 30kA duy trì khả năng dịch vụ đầy đủ sau khi cắt các sự cố 30kA nhiều lần. Điều này loại bỏ việc thay thế bắt buộc sau các sự kiện sự cố lớn và giảm đáng kể chi phí vòng đời trong các cài đặt pin, nơi các thiết bị bảo vệ có thể trải qua căng thẳng lặp đi lặp lại trong hơn 20 năm.
H: Làm cách nào để tính toán khả năng cắt cần thiết cho BESS của tôi?
Đ: Tính toán dòng điện ngắn mạch tiềm năng bằng cách sử dụng: Isc = Vmax / (k × Rbatt/Np + Rconn), trong đó Vmax là điện áp sạc tối đa, Rbatt là điện trở trong của một chuỗi, Np là số chuỗi song song, Rconn là điện trở thanh cái/kết nối (thường là 15-40mΩ) và k là hệ số giảm tải nhiệt độ (sử dụng 0,7 cho hoạt động nóng). Nhân kết quả với 2,2 để tính đến dòng điện đỉnh không đối xứng trong quá trình khởi tạo sự cố. Định mức Icu của bộ ngắt mạch phải vượt quá giá trị đỉnh này ít nhất 1,25× hệ số an toàn. Đối với hệ thống 400V, 200kWh với 8 chuỗi song song và điện trở chuỗi 250mΩ: Isc(đỉnh) = 2,2 × [456V / (0,7×31,25mΩ + 25mΩ)] = 21,4kA. Bộ ngắt mạch cần thiết: 21,4kA × 1,25 = tối thiểu 26,75kA, chỉ định thiết bị định mức 30kA.
H: Khi nào tôi nên sử dụng MCCB thay vì MCB trong hệ thống lưu trữ pin?
Đ: Sử dụng MCCB (Bộ ngắt mạch vỏ đúc) cho bất kỳ ứng dụng BESS nào mà dòng điện sự cố tiềm năng vượt quá 15kA hoặc điện áp hệ thống vượt quá 600VDC. MCB (Bộ ngắt mạch thu nhỏ) được giới hạn ở kích thước khung khoảng 63A và khả năng cắt tối đa 20kA theo tiêu chuẩn IEC 60898-1. Chúng phù hợp với các hệ thống pin dân dụng dưới 20kWh ở 48V hoặc 100V. Các cài đặt thương mại và quy mô tiện ích yêu cầu MCCB do dòng điện sự cố cao hơn, kích thước khung lớn hơn (125A-2500A) và các tính năng bổ sung bao gồm cài đặt cắt có thể điều chỉnh, tiếp điểm phụ và khả năng cắt shunt. MCCB cũng cung cấp thể tích buồng hồ quang vượt trội và lực tiếp xúc cần thiết để cắt đáng tin cậy đặc tính giải phóng năng lượng duy trì của các sự cố ngân hàng pin lớn. Không bao giờ sử dụng MCB dân dụng trong BESS thương mại bất kể định mức dòng điện phù hợp—khả năng cắt về cơ bản là không đủ.
H: Tôi có cần cầu chì ngoài các bộ ngắt mạch cho BESS lớn không?
Đ: Có, đối với các cài đặt BESS quy mô tiện ích và thương mại lớn, nơi dòng điện sự cố tiềm năng vượt quá 50kA. Thực hiện bảo vệ phối hợp: MCCB cấp chuỗi có định mức 30kA hoặc 50kA được hỗ trợ bởi cầu chì HRC cấp giá có định mức 300kA trở lên. MCCB xử lý quá tải thông thường và các sự cố vừa phải lên đến định mức Ics của nó mà không cần thay thế. Cầu chì cung cấp bảo vệ dự phòng cuối cùng trong các điều kiện sự cố cực đoan vượt quá khả năng của bộ ngắt mạch. Phối hợp đường cong thời gian-dòng điện thích hợp đảm bảo bộ ngắt mạch hoạt động trước cho các sự cố trong định mức của nó, trong khi cầu chì chỉ hoạt động cho các sự kiện thảm khốc. Chiến lược này làm giảm chi phí bảo trì (cầu chì hiếm khi hoạt động) đồng thời đảm bảo bảo vệ toàn diện trên toàn bộ phạm vi dòng điện sự cố. Đối với các hệ thống có dòng điện sự cố tiềm năng dưới 50kA, chỉ cần MCCB được định mức đúng cách là đủ—việc thêm cầu chì làm tăng chi phí mà không mang lại lợi ích an toàn.
Kết luận
Việc áp dụng rộng rãi các hệ thống lưu trữ năng lượng pin đã đặt ra một thách thức bảo vệ quan trọng mà các kỹ sư phải giải quyết bằng công nghệ phù hợp: các bộ ngắt mạch DC tiêu chuẩn được thiết kế cho các ứng dụng PV mặt trời bị hỏng hóc nghiêm trọng khi áp dụng cho các cài đặt BESS. Sự khác biệt cơ bản nằm ở đặc tính dòng điện sự cố—các tấm pin mặt trời cung cấp dòng điện ngắn mạch giới hạn ở khoảng 1,25 lần dòng điện định mức, trong khi các ngân hàng pin có điện trở trong mức milliohm tạo ra dòng điện sự cố gấp 10 đến 50 lần dòng điện định mức.
Bảo vệ BESS thích hợp yêu cầu các bộ ngắt mạch có khả năng cắt (Icu) là 20kA, 30kA hoặc 50kA tùy thuộc vào kích thước hệ thống, điện áp và cấu hình song song. Quan trọng không kém là định mức khả năng cắt dịch vụ (Ics), xác định xem bộ ngắt mạch có còn hoạt động sau khi cắt các sự cố lớn hay không. Các bộ ngắt mạch được định mức VIOX BESS đạt được Ics = 100% Icu, loại bỏ yêu cầu thay thế bắt buộc thường thấy với các bộ ngắt mạch công nghiệp tiêu chuẩn sau các sự kiện sự cố.
Việc giảm kích thước bộ ngắt mạch trong hệ thống lưu trữ pin không phải là vấn đề giảm độ tin cậy hoặc tăng chi phí bảo trì—nó tạo ra các mối nguy hiểm hỏa hoạn ngay lập tức và các chế độ hỏng hóc thảm khốc. Một bộ ngắt mạch 10kA cố gắng xóa một sự cố pin 30kA không thể dập tắt hồ quang. Kết quả là cung cấp dòng điện sự cố liên tục, phá hủy nhiệt thiết bị lân cận và khả năng lan truyền nhiệt chạy trốn trên các giá pin.
Các kỹ sư chỉ định bảo vệ BESS phải thực hiện các tính toán dòng điện sự cố chính xác, tính đến hóa học pin, điện trở trong, cấu hình song song, điện trở kết nối và ảnh hưởng của nhiệt độ. Chọn bộ ngắt mạch có hệ số an toàn tối thiểu 1,25× trên dòng điện sự cố đỉnh được tính toán sau khi áp dụng tất cả các hệ số giảm tải. Đối với các cài đặt thương mại và tiện ích, hãy triển khai bảo vệ MCCB cấp chuỗi được hỗ trợ bởi cầu chì HRC cấp giá để đảm bảo bảo vệ toàn diện trên toàn bộ phạm vi dòng điện sự cố.
VIOX Electric cung cấp các giải pháp bảo vệ BESS hoàn chỉnh với hỗ trợ kỹ thuật cho phân tích dòng điện sự cố, lựa chọn bộ ngắt mạch và các nghiên cứu phối hợp. Các sản phẩm được định mức BESS của chúng tôi tuân thủ các tiêu chuẩn IEC 60947-2, UL 1077 và UL 489, cung cấp khả năng cắt cao, dập tắt hồ quang hai chiều và độ ổn định nhiệt cần thiết để bảo vệ hệ thống pin đáng tin cậy.
Liên hệ với VIOX Engineering ngay hôm nay để được tư vấn thiết kế hệ thống bảo vệ BESS miễn phí và đảm bảo cài đặt lưu trữ pin của bạn đạt được sự an toàn và độ tin cậy mà khoản đầu tư của bạn yêu cầu.
