Odată cu progresul rapid al integrării energiei din surse regenerabile și aprofundarea strategiei globale „dual carbon”, sistemele de stocare a energiei cu baterii (BESS) au devenit suportul central pentru sistemele moderne de energie, asumând sarcini critice, cum ar fi reducerea vârfurilor, umplerea văii, reglarea frecvenței și compensarea fluctuațiilor energiei regenerabile. În centrul lanțului de conversie și transmisie a energiei BESS se află o componentă cheie-transformatorul. Spre deosebire de transformatoarele de putere tradiționale, transformatoarele pentru BESS sunt proiectate să se adapteze la fluxul de energie bidirecțional, ciclurile frecvente de încărcare-descărcare și caracteristicile de interferență armonică ridicată ale sistemelor de stocare a energiei, servind drept „punte” între modulele bateriei, sistemele de conversie a energiei (PCS) și rețeaua electrică. Acest articol elaborează sistematic rolul, caracteristicile tehnice, practicile de aplicare, criteriile cheie de selecție și tendințele viitoare de dezvoltare a transformatoarelor în BESS, oferind o referință cuprinzătoare pentru proiectarea, operarea și optimizarea proiectelor de stocare a energiei.
1. Rolul de bază al transformatoarelor în sistemele de stocare a energiei bateriei
Sistemele de stocare a energiei bateriei funcționează pe baza conversiei ciclice a energiei electrice: în faza de încărcare, rețeaua sau sursele de energie regenerabilă furnizează energie pentru încărcarea modulelor bateriei (convertite din AC în DC de către PCS); în timpul fazei de descărcare, energia de curent continuu stocată în baterii este convertită înapoi în curent alternativ de către PCS și alimentată în rețea sau furnizată sarcinii. Transformatoarele, ca echipament de interfață de bază, îndeplinesc cinci funcții de bază indispensabile în acest proces, determinând direct eficiența, stabilitatea și siguranța întregului BESS.
1.1 Transformarea tensiunii și potrivirea
Modulele de baterie din BESS produc, de obicei, energie de curent continuu de joasă-tensiune, care este convertită în curent alternativ de-joasă tensiune (de obicei 480 V–690 V) de către PCS după inversare. Cu toate acestea, rețeaua electrică funcționează în general la niveluri de tensiune medie sau înaltă (cum ar fi 10 kV, 35 kV sau mai mari) pentru o transmisie eficientă pe distanțe lungi-. Transformatorul realizează creșterea-tensiunii joase-CA la nivelul-de rețea în timpul descărcării și scăderea-tensiunii rețelei la tensiunea joasă adaptabilă PCS-în timpul încărcării, asigurând o potrivire perfectă între sistemul de stocare a energiei și gradul de tensiune al rețelei[6]. De exemplu, în proiectul de stocare a energiei Dongguan 250KVA, transformatorul realizează conversia tensiunii de la 800V la 400V, satisfacând cererea de integrare a sistemului de stocare a energiei în rețeaua de distribuție de joasă-tensiune a fabricii.
1.2 Managementul fluxului de putere bidirecțional
Spre deosebire de transformatoarele tradiționale care gestionează doar fluxul de putere unidirecțional, transformatoarele BESS trebuie să se adapteze la caracteristicile fluxului bidirecțional ale energiei în timpul încărcării și descărcării. Prin proiectarea optimizată a înfășurării și configurația circuitului magnetic, acestea asigură o eficiență ridicată și pierderi reduse în ambele moduri de lucru, evitând risipa de energie cauzată de blocajele de proiectare unidirecționale. Această adaptabilitate bidirecțională este diferența cheie între transformatoarele BESS și transformatoarele de putere convenționale și este, de asemenea, o garanție importantă pentru funcționarea flexibilă a sistemelor de stocare a energiei.
1.3 Izolație galvanică și protecție de siguranță
BESS implică conversie-de energie electrică de mare putere, iar riscul de defecțiuni precum supratensiune, scurtcircuit și interferență armonică este relativ mare. Transformatoarele asigură o izolare galvanică eficientă între sistemul de baterii, PCS și rețea, prevenind răspândirea defecțiunilor de pe o parte pe cealaltă și protejând siguranța componentelor de bază, cum ar fi modulele bateriei și PCS. De exemplu, în proiectele de stocare a energiei bateriei cu litiu-ion, protecția prin izolare poate evita în mod eficient riscul de incendiu și explozie cauzat de defecțiunile-la rețea care afectează grupul de baterii, îmbunătățind siguranța generală a sistemului.
1.4 Atenuarea armonicii și îmbunătățirea stabilității
PCS din BESS va genera un număr mare de armonici-de ordin înalt în timpul funcționării, care nu numai că vor polua rețeaua electrică, ci vor provoca și supraîncălzirea, îmbătrânirea și reducerea eficienței înfășurărilor transformatorului. Transformatoarele BESS adoptă metode speciale de conectare a înfășurării (cum ar fi conexiunea delta) și tehnologia de ecranare pentru a suprima eficient armonicile caracteristice, cum ar fi armonicile a 3-a și a 5-a, pentru a reduce impactul interferențelor armonice asupra sistemului și pentru a asigura funcționarea stabilă a sistemului de stocare a energiei și a rețelei electrice.
1.5 Optimizarea eficienței și reducerea pierderilor de energie
Transformatoarele sunt una dintre principalele componente-consumătoare de energie din BESS, iar pierderea lor de energie (inclusiv pierderea de-sarcină și pierderea de sarcină) afectează direct eficiența completă a sistemului de stocare a energiei. Transformatoarele BESS de înaltă-eficiență pot reduce pierderile de energie prin selecția optimizată a materialului de bază, îmbunătățirea procesului de bobinare și proiectarea cu impedanță -scăzută, îmbunătățind astfel beneficiile economice ale proiectelor de stocare a energiei. Se estimează că pentru un transformator de tip uscat-de 35 kV 3150 kVA, economia anuală de energie a unui transformator de eficiență energetică de clasa 1 poate ajunge la aproximativ 14.000 kWh, comparativ cu un transformator de eficiență energetică de clasa 3.
2. Caracteristicile tehnice și clasificarea transformatoarelor BESS
În comparație cu transformatoarele de putere tradiționale, transformatoarele BESS se confruntă cu condiții de funcționare mai severe: schimbări frecvente de sarcină, flux de putere bidirecțional, conținut ridicat de armonici și cerințe stricte de siguranță. Prin urmare, au caracteristici tehnice unice și sunt clasificate în diferite tipuri în funcție de scenariile de aplicare și standardele de proiectare.
2.1 Caracteristici tehnice de bază
Adaptabilitate ridicată la cicluri: BESS trebuie să finalizeze mai multe cicluri de încărcare-descărcare în fiecare zi, iar transformatorul trebuie să reziste la mutații frecvente de sarcină și la fluctuațiile curentului fără degradarea performanței. Prin selectarea tablelor de oțel silicon de înaltă calitate-și a structurii de înfășurare optimizate, se poate adapta la funcționarea ciclică pe termen lung, înalt-, cu o durată de viață de până la 60 de ani în condiții de întreținere rezonabilă.
Rezistență puternică la armonici: După cum sa menționat mai devreme, transformatorul adoptă un design structural special și selecția materialului pentru a suprima poluarea armonică, pentru a reduce încălzirea înfășurării și îmbătrânirea izolației cauzate de armonici și pentru a asigura o funcționare stabilă în mediu cu armonici ridicate[7].
Capacitate mare de-rezistență la scurtcircuit: în procesul de conectare la rețea și de funcționare, BESS poate întâmpina defecțiuni bruște de scurt-circuit. Transformatorul trebuie să aibă o rezistență mecanică și o stabilitate electrică puternică pentru a rezista la impactul curentului de scurt-circuit fără deformare sau deteriorare, asigurând siguranța întregului sistem.
Reglarea flexibilă a tensiunii: ca răspuns la fluctuația tensiunii rețelei electrice și la schimbarea tensiunii bateriei în timpul încărcării-descărcării, transformatorul este echipat cu un mecanism flexibil de reglare a tensiunii (cum ar fi comutatorul-de sarcină-) pentru a regla tensiunea de ieșire în timp real, asigurând stabilitatea transmisiei de energie.
Adaptabilitate la mediu: BESS este utilizat pe scară largă în parcuri industriale, în aer liber și în alte scenarii. Transformatorul trebuie să aibă o bună adaptabilitate la mediu, cum ar fi rezistența la temperatură ridicată, rezistența la umiditate, rezistența la praf etc. De exemplu, în zonele cu temperatură ridicată și umiditate ridicată, cum ar fi Dongguan, transformatoarele sunt echipate cu interfețe de răcire forțată cu aer și sisteme inteligente de control al temperaturii pentru a reduce creșterea temperaturii și a îmbunătăți capacitatea de încărcare[7].
2.2 Clasificarea principală
În funcție de metoda de răcire, forma de instalare și scenariul de aplicare, transformarea BESSei pot fi împărțiți în următoarele categorii:
Transformatoare uscate-de tip-immerse în ulei: datorită cerințelor de siguranță la incendiu ale proiectelor de stocare a energiei bateriilor cu litiu-ion, transformatoarele de tip-uscat sunt utilizate în general în proiecte casnice, deoarece nu au ulei-și au o siguranță mai bună. Cu toate acestea, transformatoarele cu scufundare în ulei-au avantaje în ceea ce privește costul, consumul de energie și adaptabilitatea la mediu și pot fi selectate și atunci când sunt îndeplinite cerințele de protecție împotriva incendiilor. Transformatoarele de tip uscat-sunt utilizate pe scară largă în stațiile interioare de stocare a energiei și în proiectele industriale și comerciale de stocare a energiei, în timp ce transformatoarele-immerse în petrol sunt mai potrivite pentru proiectele de stocare a energiei la scară largă-utilități în aer liber-.
Transformatoare montate pe Pad-de interior: Transformatoarele montate pe Pad-au dimensiuni mici, ușor de instalat și potrivite pentru proiecte de stocare a energiei distribuite (cum ar fi parcuri industriale și comerciale, zone rezidențiale) cu spațiu limitat; Transformatoarele de interior sunt utilizate în principal în stațiile de stocare a energiei interioare, cu performanțe de protecție mai bune și potrivite pentru mediile exterioare dure.
Transformatoare de izolare și transformatoare-Up/Step-Down: Transformatoarele de izolare se concentrează pe asigurarea izolației galvanice pentru a proteja componentele sistemului, care sunt utilizate pe scară largă în scenarii cu cerințe de siguranță ridicate; Transformatoarele trepte-în sus/-în jos sunt echipamentele de bază pentru conversia tensiunii, care sunt împărțite în transformatoare-trepătoare (pentru conectarea la rețea a sistemelor de stocare a energiei) și transformatoare-în jos (pentru încărcarea sistemelor de stocare a energiei) în funcție de direcția de conversie a tensiunii.
3. Practici de aplicare a transformatoarelor BESS
Odată cu dezvoltarea rapidă a industriei de stocare a energiei, transformatoarele BESS au fost utilizate pe scară largă în utilități-partea utilităților, industriale și comerciale-și proiectelor de stocare a energiei distribuite și au format soluții de aplicații mature pentru diferite scenarii. Următoarele combină cazuri tipice pentru a detalia caracteristicile lor de aplicare.
3.1 Proiecte de stocare a energiei la scară de utilitate-
Proiectele de stocare a energiei la scară de utilitate-au caracteristicile unei capacități mari, puteri mari și conexiuni directe la rețea, care au cerințe ridicate privind eficiența, stabilitatea și gradul de tensiune al transformatoarelor. În general, transformatoare cu grad ridicat de-eficiență în ulei-imersă sau uscat-de tip-superioare sunt utilizate pentru a converti ieșirea de curent alternativ de joasă-tensiune de către PCS la tensiune medie și înaltă (10 kV–35 kV sau mai mare) și pentru a o integra în rețeaua de transport și distribuție. De exemplu, în proiectele complementare de stocare-la scară mare-solară-eoliană, transformatoarele trebuie să se adapteze la caracteristicile intermitente și fluctuante ale energiei eoliene și solare, să realizeze bidigestionarea fluxului de energie recțională și asigurarea stabilității rețelei electrice. În același timp, trebuie să îndeplinească standardele relevante IEC, IEEE sau UL pentru a asigura o funcționare fiabilă pe termen lung-.
3.2 Proiecte industriale și comerciale de stocare a energiei
Proiectele industriale și comerciale de stocare a energiei sunt utilizate în principal pentru reducerea vârfurilor, umplerea văii și alimentarea cu energie de urgență, cu cicluri frecvente de încărcare-descărcare și cerințe ridicate privind viteza de răspuns și rezistența armonică a transformatoarelor. Proiectul de stocare a energiei Dongguan Machong 250KVA este un caz tipic: proiectul folosește un transformator special de stocare a energiei de 250KVA cu conversie de tensiune de la 800V la 400V, care optimizează designul înfășurării pentru a se adapta la fluxul de energie bidirecțional, adoptă o tehnologie specială de ecranare pentru a suprima armonicile și realizează răspunsul în milisecunde-potrivire rapidă{7} la nivel de impeda{7} perfectă a tensiunii nevoile de ajustare a sistemului de stocare a energiei. În plus, transformatorul este echipat cu un sistem inteligent de control al temperaturii pentru a se adapta la-temperatură și umiditate ridicată-climei din Dongguan, reducând creșterea temperaturii cu mai mult de 10K și asigurând beneficiul maxim de stocare a energiei.
3.3 Proiecte de stocare distribuită a energiei
Proiectele de stocare a energiei distribuite (cum ar fi zone rezidențiale, parcuri industriale mici) au o capacitate mică, o ocupare redusă a spațiului și cerințe ridicate privind miniaturizarea și flexibilitatea transformatoarelor. În general, se folosesc transformatoare de tip uscat-montate pe tampon-sau transformatoare de izolare mici, care au caracteristicile unei dimensiuni reduse, instalare ușoară și zgomot redus. În același timp, trebuie să se adapteze la fluctuația de tensiune a rețelei de distribuție și la încărcarea frecventă-descărcării micilor sisteme de stocare a energiei, asigurând siguranța și stabilitatea alimentării locale cu energie. De exemplu, în sistemele de stocare a energiei de uz casnic, mici transformatoare de izolare sunt folosite pentru a izola sistemul de baterii de rețeaua electrică casnică, prevenind ca defecțiunile să afecteze siguranța utilizării energiei electrice în gospodărie.
3.4 Aplicație inovatoare de arhitectură de integrare
În ultimii ani, odată cu dezvoltarea tehnologiei transformatoarelor inteligente, a apărut o arhitectură inovatoare care integrează BESS în transformatoarele inteligente. Această arhitectură folosește ca nucleu un convertor DC-DC sursă de curent-tip patru-activ-punte (CF{-QAB)- și adaugă un port la nivelul izolat DC-DC al transformatorului inteligent pentru a realiza integrarea directă a BESS fără convertoare suplimentare. În comparație cu schema tradițională de integrare, această arhitectură reduce numărul de dispozitive cu aproximativ 20%, iar eficiența convertorului ajunge la 98,12%, ceea ce este semnificativ mai mare decât schema tradițională. Verificarea experimentală arată că atunci când tensiunea bateriei se modifică, tensiunea laterală de joasă-tensiune poate fi menținută stabil, iar puterea totală de transmisie poate fi ajustată dinamic fără fluctuații, oferind o nouă cale tehnică pentru integrarea eficientă a BESS și a transformatoarelor.
4. Criterii cheie de selecție și cerințe tehnice pentru transformatoarele BESS
Selectarea transformatoarelor BESS afectează direct eficiența, siguranța și beneficiile economice ale întregului sistem de stocare a energiei. Este necesar să se ia în considerare în mod cuprinzător factori precum capacitatea sistemului, gradul de tensiune, condițiile de funcționare și cerințele de siguranță și să se respecte următoarele criterii de selecție cheie și cerințe tehnice.
4.1 Potrivirea capacităților
Capacitatea nominală a transformatorului ar trebui să fie corelată cu puterea nominală a PCS și, în același timp, trebuie luate în considerare cerințele privind pierderea de putere auxiliară și suprasarcina. În general, aceasta nu ar trebui să fie mai mică de 1,05 ori puterea nominală a PCS-ului conectat pentru a asigura funcționarea în siguranță pe termen lung a transformatorului. Trebuie remarcat faptul că reducerea orbește a capacității transformatorului pentru a reduce costurile va duce la o marjă de funcționare insuficientă și va afecta stabilitatea sistemului. De exemplu, în unele proiecte de stocare centralizată a energiei, alegerea unui transformator cu capacitate insuficientă va duce la supraîncălzirea și îmbătrânirea transformatorului în timpul funcționării pe termen lung, reducând durata de viață a acestuia.
4.2 Nivelul de eficiență energetică
Nivelul de eficiență energetică al transformatorului afectează în mod direct pierderea de energie și costul de funcționare al sistemului de stocare a energiei. Standardul național „Limita de eficiență energetică și nivelul de eficiență energetică a transformatoarelor de putere” împarte eficiența energetică în trei niveluri, dintre care Nivelul 1 are cea mai mare eficiență energetică. La selectare, este necesar să se compare în mod cuprinzător economia și eficiența și să se selecteze transformatoare care îndeplinesc standardele relevante de eficiență energetică. Pentru proiectele de stocare a energiei la scară mare-cu timp de funcționare lung, selectarea transformatoarelor de eficiență energetică de Nivel 1 poate economisi o mulțime de costuri cu energia electrică pe întreg ciclul de viață.
4.3 Selectarea metodei de răcire
Alegerea metodei de răcire ar trebui să se bazeze pe scenariul de aplicare și pe cerințele de siguranță. În stațiile interioare de stocare a energiei și în proiectele de stocare a energiei bateriei cu litiu-ion, transformatoarele de tip uscat-ar trebui să fie preferate datorită siguranței lor bune și fără risc de incendiu și explozie. În proiectele de stocare a energiei la scară largă-exterior, transformatoarele cu ulei-immerse pot fi selectate atunci când sunt îndeplinite cerințele de protecție împotriva incendiilor, profitând de consumul redus de energie și de costul redus. În același timp, măsurile de răcire corespunzătoare (cum ar fi răcirea forțată cu aer, răcirea forțată cu ulei) ar trebui configurate în funcție de mediul de operare pentru a se asigura că transformatorul funcționează în intervalul de temperatură permis.
4.4 Potrivirea parametrilor cheie
Pe lângă capacitatea și eficiența energetică, selecția transformatoarelor trebuie să ia în considerare și potrivirea parametrilor cheie, cum ar fi tensiunea nominală, impedanța de scurt-circuit, domeniul de conectare și grupul de conexiune. De exemplu, tensiunea nominală de pe partea de joasă-tensiune a transformatorului ar trebui să se potrivească cu tensiunea nominală de pe partea de curent alternativ a PCS, iar tensiunea nominală de pe partea de-tensiune înaltă ar trebui să se potrivească cu tensiunea de pe partea de joasă-tensiune a transformatorului principal; grupul de conectare adoptă de obicei modul de conectare Dy11 pentru a se adapta la fluxul de energie bidirecțional și la cerințele de suprimare armonică ale BESS.
4.5 Siguranță și fiabilitate
Transformatorul trebuie să aibă performanță de izolație fiabilă, capacitate de rezistență la scurt-circuit și funcție de protecție la supratensiune pentru a se adapta la mediul dur de operare al BESS. De exemplu, nivelul de izolație ar trebui să îndeplinească cerințele tensiunii de funcționare, iar înfășurarea trebuie tratată cu izolație pentru a preveni îmbătrânirea și defectarea izolației; transformatorul ar trebui să fie echipat cu monitorizare a temperaturii, protecție la supracurent și alte dispozitive pentru a detecta și gestiona în timp util defecțiunile, asigurând siguranța sistemului.
5. Tendințe viitoare de dezvoltare
Odată cu extinderea continuă a scarii BESS și îmbunătățirea continuă a cerințelor tehnice, transformatoarele pentru BESS se confruntă cu noi provocări, arătând în același timp o tendință clară de dezvoltare către eficiență ridicată, inteligență, integrare și miniaturizare.
5.2 Tendințe viitoare de dezvoltare
Eficiență ridicată și pierderi reduse: odată cu îmbunătățirea continuă a standardelor de eficiență energetică, cercetarea și dezvoltarea transformatoarelor de înaltă{0}}eficiență va deveni punctul central. Prin adoptarea de noi materiale de bază (cum ar fi aliajul amorf), optimizarea structurii înfășurării și îmbunătățirea proceselor de fabricație, pierderile fără-sarcină și pierderile de sarcină ale transformatoarelor vor fi reduse și mai mult, iar eficiența globală a BESS va fi îmbunătățită.
Actualizare inteligentă: transformatoarele BESS vor fi integrate cu tehnologii inteligente precum Internetul lucrurilor (IoT), big data și inteligența artificială. Prin monitorizarea-în timp real a parametrilor de funcționare a transformatorului (temperatura, curent, tensiune etc.), se va realiza întreținerea predictivă și diagnosticarea defecțiunilor, reducând costurile de întreținere și îmbunătățind fiabilitatea sistemului. În același timp, va realiza o interacțiune inteligentă cu PCS și rețelele inteligente, îmbunătățind flexibilitatea și controlabilitatea sistemelor de stocare a energiei.
Integrare și miniaturizare: Integrarea transformatoarelor și PCS va deveni o nouă tendință, reducând volumul și greutatea sistemului, simplificând procesul de instalare și reducând costul întregului sistem de stocare a energiei. De exemplu, arhitectura integrată inovatoare a transformatoarelor inteligente și BESS poate reduce numărul de dispozitive și poate îmbunătăți eficiența integrării. În același timp, designul de miniaturizare va face transformatoarele mai potrivite pentru scenariile de stocare distribuită a energiei cu spațiu limitat.
Personalizare și diversificare: odată cu diversificarea scenariilor de aplicații BESS (partea-utilității, partea industrială și comercială-, distribuite), cererea de transformatoare personalizate va crește. Transformatoarele vor fi proiectate în funcție de nevoile specifice ale diferitelor proiecte, cum ar fi gradul de tensiune, capacitatea, mediul de operare și cerințele de siguranță, pentru a îmbunătăți adaptabilitatea și economia sistemului.
Ecologice și cu emisii reduse de-carbon: în contextul strategiei „dual carbon”, transformarea ecologică și cu emisii reduse de-carbon a transformatoarelor va fi accelerată. Utilizarea de materiale ecologice (cum ar fi materiale de izolare ne-toxice și degradabile) și optimizarea designului de-economisire a energiei vor reduce impactul asupra mediului al transformatoarelor, realizând dezvoltarea ecologică a întregii industrii de stocare a energiei.
6. Concluzie
Ca componentă de bază a interfeței sistemelor de stocare a energiei bateriei, transformatoarele îndeplinesc sarcinile cheie de conversie a tensiunii, gestionarea fluxului de putere bidirecțională, protecția siguranței și optimizarea eficienței, care sunt cruciale pentru funcționarea stabilă, eficientă și sigură a BESS. Odată cu dezvoltarea rapidă a industriei de stocare a energiei, cerințele tehnice pentru transformatoarele BESS se îmbunătățesc constant, iar transformatoarele se dezvoltă către eficiență ridicată, inteligență, integrare și miniaturizare.
În viitor, odată cu descoperirea continuă a noilor materiale, a noilor tehnologii și a noilor arhitecturi, transformatoarele BESS se vor adapta mai bine la nevoile de dezvoltare a sistemelor de stocare a energiei-la scară largă, inteligente și ecologice, vor oferi un sprijin mai puternic pentru integrarea energiei regenerabile și construirea de rețele inteligente și vor aduce contribuții importante la transformarea energiei globale și la realizarea obiectivului „dual carbon”. Pentru proiectanții de proiecte de stocare a energiei, operatorii și producătorii de echipamente, este necesar să se acorde o atenție deplină selecției și aplicării transformatoarelor și să se promoveze dezvoltarea sănătoasă și durabilă a industriei de stocare a energiei prin proiectare științifică, selecție rațională și funcționare inteligentă.
