Cum Funcționează un Sistem BESS: Tehnologie și Componente 2025

Ghid tehnic complet despre arhitectura și funcționarea sistemelor BESS: de la modulele de baterii la controlul în timp real, înțelegeți cum un sistem de 15 MW poate răspunde în sub 1 secundă la comenzile Transelectrica.

Arhitectura unui Sistem BESS: Viziune de Ansamblu

Un sistem BESS (Battery Energy Storage System) modern este mult mai mult decât o "baterie mare". Este un sistem ciberfizic complex care integrează tehnologie electrochimică, electronică de putere, software de control în timp real și comunicații cu operatorul de rețea.

Componentele principale ale unui sistem BESS de 15 MW / 30 MWh (configurația standard Battery.Network) sunt:

Niveluri de control și integrare

Sistemele BESS funcționează pe multiple niveluri ierarhice:

1. Nivel celula (Cell-level): Monitorizare individuală a fiecărei celule litiu-ion (tensiune, curent, temperatură)
2. Nivel modul (Module-level): Grupuri de 10-16 celule în serie formeaza module de 50-150V
3. Nivel rack (Rack-level): Multiple module în serie/paralel formează rack-uri de 100-500 kWh
4. Nivel container (Container-level): Containere de 2-5 MWh cu 8-20 rack-uri fiecare
5. Nivel sistem (System-level): Agregarea tuturor containerelor prin PCS și EMS
6. Nivel grid (Grid-level): Integrare cu rețeaua 110 kV și comunicare SCADA cu Transelectrica

Modulele de Baterii: Inima Sistemului

Pentru Battery.Network, folosim baterii LFP (Litiu Fier Fosfat) de la CATL sau BYD în format prismatic:

Specificații celula

• Tip chimie: LiFePO4 (catod) + Grafit (anod)
• Capacitate: 280 Ah (280.000 mAh)
• Tensiune nominală: 3.2V (2.5V min, 3.65V max)
• Energie celulă: 280 Ah × 3.2V = 896 Wh (0.896 kWh)
• Format: Prismatic (dimensiuni ~174×207×71mm)
• Greutate: ~5.5 kg per celulă
• Durata viață: 6.000-10.000 cicluri la 80% DOD

Configurație modul

16 celule în serie formează un modul de 51.2V nominal:

• Tensiune modul: 16 × 3.2V = 51.2V nominal (40V min, 58.4V max)
• Capacitate modul: 280 Ah (aceeași ca și celula, series connection)
• Energie modul: 51.2V × 280 Ah = 14.3 kWh
• Greutate modul: ~90 kg (celule + carcasă + BMS modul)

Configurație rack

Un rack conține de obicei 16 module în paralel (configurație 16S16P la nivel celula, sau 1S16P la nivel modul):

• Tensiune rack: 51.2V nominal (aceeași ca modulul)
• Capacitate rack: 16 × 280 Ah = 4.480 Ah
• Energie rack: 51.2V × 4.480 Ah = 229 kWh
• Dimensiuni: Rack standard 19" (600mm × 1000mm × 2200mm)
• Greutate: ~1.600 kg (module + structură + cooling)

Configurație container

Un container TEU (20 picioare) conține 11 rack-uri:

• Energie container: 11 × 229 kWh = 2.519 kWh ≈ 2.5 MWh
• Tensiune DC: Toate rack-urile în paralel → 51.2V nominal
• Capacitate totală: 11 × 4.480 Ah = 49.280 Ah
• Putere continuă: 1.25 MW (0.5C rate) per container
• Putere peak: 2.5 MW (1C rate) per container pentru 30 minute

Pentru un sistem de 15 MW / 30 MWh sunt necesare:

• 12 containere baterii × 2.5 MWh = 30 MWh capacitate energetică
• Configurație putere: Toate containerele în paralel la nivel DC (51.2V nominal, ~590.000 Ah capacitate agregată)

Sistemul de Conversie a Energiei (PCS - Power Conversion System)

PCS-ul este interfața dintre bateriile DC (51.2V) și rețeaua AC (110 kV după transformare). Funcții principale:

1. Convertoare bidirectionale (Invertoare)

Invertoarele moderne pentru BESS sunt bidirectionale, adică pot funcționa atât ca invertor (DC → AC pentru descărcare) cât și ca rectifier (AC → DC pentru încărcare):

• Topologie: 3-level Neutral Point Clamped (NPC) sau Modular Multilevel Converter (MMC)
• Tensiune DC input: 40-60V range (compatibil cu rack-uri 51.2V nominal)
• Tensiune AC output: 400V sau 690V AC trifazat
• Frecvență: 50 Hz (sinchronizat cu rețeaua)
• Eficiență conversie: 98-99% (la putere nominală)
• Putere nominală: 5 MW per invertor (configurație modulară)

Configurație pentru 15 MW

Sistem Battery.Network folosește 3 invertoare de 5 MW în paralel:

• Redundanță: Dacă un invertor iese din funcțiune, sistemul continuă la 10 MW (2/3 capacitate)
• Modularitate: Fiecare invertor conectat la 4 containere baterii (4 × 2.5 MWh = 10 MWh)
• Sincronizare: Cele 3 invertoare sunt sincronizate la nivel de fază pentru output agregat coerent

2. Transformator de ridicare (Step-up Transformer)

Transformatorul ridică tensiunea de la 690V AC (output invertoare) la 110 kV (nivelul rețelei de transport Transelectrica):

• Raport transformare: 690V / 110.000V ≈ 1:160
• Putere nominală: 20 MVA (overhead pentru 15 MW)
• Tip: Transformator trifazat ulei-imersiune cu răcire forțată (ONAN/ONAF)
• Eficiență: 99%+ la putere nominală
• Pierderi: ~100 kW la 15 MW (0.66%)

3. Sisteme de protecție și sincronizare

• Întrerupătoare automate (Circuit Breakers): Protecție supraintensitate la nivel DC și AC
• Relee de protecție: Over/under voltage, over/under frequency, reverse power
• Anti-islanding: Detectare pierdere rețea și deconectare automată
• Sincronizare automată: Phase-Locked Loop (PLL) pentru sincronizare la rețea înainte de conectare
• Ride-through capabilități: Low Voltage Ride Through (LVRT) și High Voltage Ride Through (HVRT) conform Grid Code

Battery Management System (BMS): Creierul Bateriilor

BMS-ul monitorizează și controlează fiecare celulă din sistem (pentru 30 MWh cu celule de 280 Ah, asta înseamnă peste 33.000 de celule):

Funcții principale BMS

1. Monitorizare celule în timp real

Fiecare celulă este monitorizată individual pentru:

• Tensiune: Măsurare cu precizie ±5mV (detectare degradare/defecte)
• Curent: Monitorizare flux de încărcare/descărcare per modul
• Temperatură: Senzori termici pe fiecare modul (3-5 puncte de măsură)
• Frecvență sampling: 1-10 Hz (10-100 măsurători per secundă per celulă)

2. Estimarea stării bateriilor (State Estimation)

BMS calculează parametri critici:

• SOC (State of Charge): Procentul de încărcare curent (0-100%)
• Algoritm: Coulomb counting + Kalman filtering + look-up tables bazate pe OCV (Open Circuit Voltage)
• Precizie: ±2% SOC
• SOH (State of Health): Estimarea degradării bateriilor
• Metode: Capacity fade analysis, impedance spectroscopy, cycle counting
• Update: Lunar sau după fiecare 100 cicluri
• SOF (State of Function): Puterea maximă disponibilă curent (în funcție de SOC, temperatură, istoric)
• Dynamic: Actualizat în timp real pentru comenzi de la EMS

3. Cell Balancing (Echilibrarea celulelor)

Din cauza microdiferențelor în fabricație, celulele nu au exact aceeași capacitate. BMS echilibrează celulele pentru a maximiza capacitatea utilizabilă:

• Passive balancing: Descarcă celulele cu tensiune mai mare prin rezistori (disipare caldură)
• Active balancing: Transfer energie de la celule mai încărcate la cele mai descărcate (mai eficient dar mai complex)
• Trigger: Diferență >20mV între celule în același modul
• Curent balancing: 50-200 mA per celulă

4. Protecții de siguranță

BMS implementează multiple niveluri de protecție:

Arhitectură BMS

BMS-ul este organizat ierarhic:

• Slave BMS (per modul): Măsoară tensiune/temperatură celule, execută balancing local
• Master BMS (per rack sau container): Agregă date de la Slave BMS, calculează SOC/SOH, trimite comenzi la PCS
• Comunicare: CAN Bus sau Modbus RTU (redundant pentru siguranță)
• Latență: <100ms între detectare eveniment și acțiune protecție

Energy Management System (EMS): Optimizarea Inteligentă

La nivelul cel mai înalt, EMS-ul ia decizii strategice despre cum să opereze sistemul BESS pentru a maximiza profitabilitatea:

Funcții principale EMS

1. Optimizare trading multi-piață

EMS-ul Battery.Network folosește algoritmi de Machine Learning și optimizare matematică pentru a decide:

• Când să încarce: Predicție prețuri scăzute pe DAM/IDM (orele 02:00-06:00, producție eoliană ridicată)
• Când să descarce: Predicție prețuri ridicate (vârf seara 18:00-22:00)
• Cât să aloce pentru AFRR: Trade-off între venituri fixe din capacitate vs oportunități arbitraj
• Când să participe pe IDM: Detectare evenimente de volatilitate (opriri centrale, forecast errors regenerabile)

2. Inputs pentru algoritmi de optimizare

• Prețuri real-time: DAM, IDM, prețuri activare AFRR (streaming data de la OPCOM)
• Prognoze meteo: Vânt, radiație solară (pentru predicție producție regenerabilă)
• Prognoze cerere: Modelele de consum istoric pentru predicție load curve
• SOC curent: Starea de încărcare (de la BMS)
• SOH și degradare: Estimare costul degradare per ciclu
• Constrângeri grid: Limitări de rețea comunicate de Transelectrica

3. Algoritmi de optimizare

EMS rezolvă o problemă de optimizare stochastică multi-obiectiv:

• Obiectiv primar: Maximizare profit net (venituri - costuri operare - degradare baterii)
• Constrângeri:
  • SOC între 10-90% (protecție baterii)
  • Putere ≤15 MW (limită PCS)
  • Energie ≤30 MWh (capacitate baterii)
  • Contracte AFRR (disponibilitate minimă)
  • Limitări ramp rate (Grid Code compliance)
• Metodologie:
  • Model Predictive Control (MPC) cu orizont 24-48 ore
  • Stochastic programming pentru incertitudine prețuri
  • Reinforcement Learning pentru îmbunătățire continuă

4. Execuție comenzi în timp real

EMS trimite comenzi la PCS la fiecare 1-5 secunde:

• Setpoint putere: -15 MW (încărcare maximă) la +15 MW (descărcare maximă)
• Setpoint reactive power: ±5 MVAr (pentru suport tensiune în rețea)
• Operating mode: AFRR, FCR, arbitraj, standby
• Protocoale: IEC 61850 (standard pentru substații) sau Modbus TCP

Exemplu ciclu operațional tipic (24 ore)

Profit estimat zi: (85%-20%) × 30 MWh × (150-30) EUR/MWh × 90% eficiență = ~2.100 EUR/zi doar din arbitraj + ~1.500 EUR/zi din AFRR = 3.600 EUR/zi (1.3M EUR/an)

Sistem SCADA: Comunicare cu Operatorul de Rețea

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) este interfața de comunicare între BESS și Centrul Național de Dispecerizare (CND) al Transelectrica:

Funcții SCADA

1. Transmitere telemetrie în timp real către Transelectrica

• Putere activă: MW (încărcare/descărcare curent)
• Putere reactivă: MVAr (pentru suport tensiune)
• Frecvență locală: Hz (măsurată la punctul de racordare)
• Tensiune: kV (la nivel 110 kV)
• SOC: Procent încărcare disponibilă
• Disponibilitate: MW capacitate disponibilă pentru servicii (AFRR, FCR)
• Alarme și faults: Evenimente critice (invertor fault, BMS alarm, etc.)

2. Recepție comenzi de la Transelectrica

• Setpoint AFRR: Comandă putere activă (actualizare la fiecare 4 secunde)
• Activare mFRR: Comandă manuală pentru rezervă (lead time 15 minute)
• Setpoint tensiune: Pentru suport local
• Comenzi on/off: Conectare/deconectare de la rețea

3. Protocoale de comunicare

• IEC 60870-5-104: Standard Transelectrica pentru telecomandă și telesemnalizare
• Backup: IEC 61850 (standard modern substații)
• Comunicare: Fibră optică dedicată sau VPN securizat prin internet
• Latență: <100ms (cerință Grid Code pentru AFRR)
• Redundanță: Comunicare dublă (primary + backup path)

Conformitate Grid Code

Pentru a participa pe piețele de echilibrare, sistemul BESS trebuie să îndeplinească cerințe stricte:

• Timp activare AFRR: Putere completă în 30 secunde (BESS atinge în <1 secundă)
• Timp activare FCR: 50% putere în 15 secunde, 100% în 30 secunde (BESS: instant)
• Precizie control: ±2% din setpoint (BESS: ±0.5%)
• Disponibilitate anuală: Minim 98% (penalizări pentru indisponibilitate)
• LVRT/HVRT: Capability de a rămâne conectat la rețea în caz de sag-uri de tensiune

Fluxul Energiei în Sistem BESS

Să urmărim energia de la baterii până în rețea (și invers):

Mod descărcare (Battery → Grid)

1. Baterii (DC 51.2V): Celulele litiu-ion eliberează electroni prin reacție electrochimică
2. BMS: Monitorizează și permite flux curent (closing contactors)
3. DC Bus: Agregare curent de la toate containerele în paralel (51.2V, 100.000+ Amperi pentru 15 MW)
4. Invertor: Conversie DC → AC trifazat 690V, 50 Hz
   • IGBT switches la frecvență 5-20 kHz creează undă sinusoidală
   • Filtru LC elimină harmonicele
   • Output: 690V AC la 50 Hz, sinchronizat cu rețeaua
5. Transformator step-up: 690V → 110.000V (raport 1:160)
6. Circuit breaker și protecții: Verificare parametri (frecvență, tensiune, fază) înainte de conectare
7. Rețea 110 kV: Energie livrată la Transelectrica

Pierderi cumulate (round-trip efficiency)

Exemplu: Pentru a livra 27 MWh în rețea, trebuie să încărcăm 27 / 0.93 = 29 MWh din rețea.

Pierdere: 2 MWh × 100 EUR/MWh = 200 EUR per ciclu (cost energetic al ineficienței)

Sisteme de Protecție și Siguranță

1. Protecție împotriva incendiilor

Deși LFP este extrem de sigur, sistemele BESS includ protecții multi-nivel:

• Detectare precoce:
  • Senzori de fum în fiecare container (VESDA - Very Early Smoke Detection)
  • Senzori gaz (detecție off-gassing electrolit înainte de thermal runaway)
  • Senzori temperatură (IR cameras pentru hotspot detection)
• Stingere automată:
  • Sistem cu aerosoli (Stat-X) sau gaz inert (NOVEC 1230, IG-541)
  • Activare automată la detectare fum/temperatură ridicată
  • Capacitate extindere 10+ minute (timp pentru intervenție pompieri)
• Confinare:
  • Containere ignifuge (metal cu izolație refractară)
  • Distanțe minime între containere (5-10 metri)
  • Pereți coupe-feu între rack-uri

2. Sistem HVAC (climatizare)

Bateriile LFP funcționează optim la 15-30°C:

• Răcire: Aer condiționat cu capacitate 50-100 kW per container
• Încălzire: Rezistențe electrice pentru temperaturi sub 0°C (ierni în România)
• Control: Termostare inteligente cu predicție load (pre-cooling înainte de cicluri de descărcare mare)
• Eficiență: Consum HVAC ~2-3% din energia ciclată (inclus în eficiența round-trip)

3. Securitate fizică

• Împrejmuire perimetrală: Gard 2.5 metri cu sârmă ghimpată
• Control acces: Poartă automatizată cu cititor carduri
• Supraveghere video: Camere 24/7 cu înregistrare
• Iluminare: LED-uri cu senzori mișcare
• Alarmă: Notificare security și poliție în caz de intruziune

Performanță și Metrici de Eficiență

KPIs pentru sistem BESS

Monitorizare performanță în timp real

Platforma Battery.Network oferă dashboard live pentru investitori:

• Putere instantanee: Graf real-time încărcare/descărcare
• SOC: Nivel baterii (% și MWh disponibile)
• Venituri cumulate: EUR generate zi/luna/an
• Cicluri: Număr cicluri executate și capacitate rămasă
• Eficiență: Tracking eficiență round-trip pe cicluri
• Activări AFRR: Frecvență și durata activărilor
• Alerte: Notificări pentru evenimente importante (fault, degradare neașteptată, etc.)

Battery.Network: Arhitectură Tehnică de Referință

Pentru siturile Zalău, Seini și Satu Mare (15 MW / 30 MWh fiecare), Battery.Network implementează arhitectura tehnică optimizată:

Specificații tehnice sistem 15 MW / 30 MWh

Strategia de control EMS

Battery.Network implementează strategie optimizată multi-piață:

• AFRR permanent (10 MW): Alocare 24/7 pentru venituri din capacitate (100 EUR/MW/zi × 10 MW = 1.000 EUR/zi fix)
• FCR flexibil (3 MW): Participare când prețurile FCR > 60 EUR/MW/zi
• Arbitraj dinamic (2-15 MW): Capacitate variabilă în funcție de spread DAM/IDM
  • Dacă spread >80 EUR/MWh → arbitraj agresiv (folosește toată capacitatea disponibilă)
  • Dacă spread <40 EUR/MWh → doar AFRR
• Optimizare SOC:
  • Menține SOC între 40-60% în afara perioadelor de trading
  • Încarcă la 80-90% înainte de vârf seară anticipat
  • Descarcă la 20-30% după arbitraj pentru pregătire reîncărcare nocturnă

Concluzie

Un sistem BESS modern este o orchestrare complexă de tehnologie electrochimică, electronică de putere, algoritmi de control și comunicații în timp real. Fiecare componentă trebuie să funcționeze perfect sincronizat pentru a atinge performanța necesară participării pe piețele de echilibrare.

Cheia succesului unui proiect BESS constă în:

• Selecția componentelor: Baterii LFP pentru siguranță și durată de viață, invertoare premium pentru eficiență
• Integrare sistemelor: BMS, EMS, SCADA trebuie să comunice fără latență
• Algoritmi de optimizare: EMS inteligent poate genera +20-30% venituri vs strategie simplă
• Mentenanță preventivă: Monitoring continuu și intervenții rapide pentru disponibilitate >98%

Battery.Network combină toate aceste elemente pentru a livra sisteme BESS de clasă mondială cu performanță și profitabilitate dovedită.

Articole conexe