Amb el ràpid avenç de la integració de les energies renovables i l'aprofundiment de l'estratègia global de "doble carboni", els sistemes d'emmagatzematge d'energia de les bateries (BESS) s'han convertit en el suport bàsic dels sistemes d'alimentació moderns, realitzant tasques crítiques com ara l'afaitat màxim, l'ompliment de la vall, la regulació de freqüència i la compensació de la fluctuació d'energia renovable. Al cor de la cadena de conversió i transmissió d'energia de BESS hi ha un component clau-el transformador. A diferència dels transformadors de potència tradicionals, els transformadors per a BESS estan dissenyats per adaptar-se al flux d'energia bidireccional, cicles freqüents de càrrega-descàrrega i característiques d'alta interferència harmònica dels sistemes d'emmagatzematge d'energia, que serveixen de "pont" entre els mòduls de bateries, els sistemes de conversió d'energia (PCS) i la xarxa elèctrica. Aquest article elabora sistemàticament el paper, les característiques tècniques, les pràctiques d'aplicació, els criteris clau de selecció i les tendències futures de desenvolupament dels transformadors a BESS, proporcionant una referència completa per al disseny, operació i optimització de projectes d'emmagatzematge d'energia.
1. El paper bàsic dels transformadors en els sistemes d'emmagatzematge d'energia de bateries
Els sistemes d'emmagatzematge d'energia de les bateries funcionen en funció de la conversió cíclica de l'energia elèctrica: durant la fase de càrrega, la xarxa o fonts d'energia renovables subministra energia per carregar els mòduls de bateries (convertits de CA a CC per PCS); durant la fase de descàrrega, l'energia de corrent continu emmagatzemada a les bateries es torna a convertir en CA per PCS i s'introdueix a la xarxa o subministrada a la càrrega. Els transformadors, com a equip d'interfície bàsic, duen a terme cinc funcions bàsiques indispensables en aquest procés, determinant directament l'eficiència, l'estabilitat i la seguretat de tot el BESS.
1.1 Transformació i adaptació de tensió
Els mòduls de bateries de BESS solen emetre energia de CC de baixa-tensió, que es converteix en CA de baixa-tensió (normalment 480-690 V) per PCS després de la inversió. Tanmateix, la xarxa elèctrica funciona generalment a nivells de tensió mitjana o alta (com ara 10 kV, 35 kV o superior) per a una transmissió eficient a llarga distància-. El transformador realitza l'augment-de la tensió de baixa-tensió CA a la-quadrícula durant la descàrrega, i la baixa-de la tensió de la xarxa a PCS-baix voltatge adaptable durant la càrrega, assegurant una concordança perfecta entre el sistema d'emmagatzematge d'energia i el grau de tensió de la xarxa[6]. Per exemple, al projecte d'emmagatzematge d'energia de 250KVA de Dongguan, el transformador realitza una conversió de tensió de 800V a 400V, satisfent la demanda d'integrar el sistema d'emmagatzematge d'energia a la xarxa de distribució de baixa tensió de la fàbrica.
1.2 Gestió del flux d'energia bidireccional
A diferència dels transformadors tradicionals que només gestionen el flux d'energia unidireccional, els transformadors BESS s'han d'adaptar a les característiques de flux bidireccional de l'energia durant la càrrega i la descàrrega. Mitjançant un disseny optimitzat de bobinatge i una configuració de circuit magnètic, asseguren una alta eficiència i baixes pèrdues en ambdós modes de treball, evitant el malbaratament d'energia causat per colls d'ampolla de disseny unidireccional. Aquesta adaptabilitat bidireccional és la diferència clau entre els transformadors BESS i els transformadors de potència convencionals, i també és una garantia important per al funcionament flexible dels sistemes d'emmagatzematge d'energia.
1.3 Aïllament galvànic i protecció de seguretat
BESS implica una conversió d'energia elèctrica de gran-potència i el risc de fallades com ara sobretensió, curtcircuit i interferències harmòniques és relativament alt. Els transformadors proporcionen un aïllament galvànic efectiu entre el sistema de bateries, els PCS i la xarxa, evitant que els errors d'un costat s'estenin a l'altre i protegint la seguretat dels components bàsics com ara els mòduls de la bateria i els PCS. Per exemple, en els projectes d'emmagatzematge d'energia de la bateria d'ions de liti-, la protecció d'aïllament pot evitar de manera efectiva el risc d'incendi i d'explosió causats per fallades laterals de la xarxa-que afecten el clúster de bateries, millorant la seguretat general del sistema.
1.4 Mitigació harmònica i millora de l'estabilitat
Els PCS a BESS generaran un gran nombre d'harmònics d'-alt ordre durant el funcionament, que no només contaminaran la xarxa elèctrica, sinó que també provocaran el sobreescalfament, l'envelliment i la reducció de l'eficiència dels bobinats del transformador. Els transformadors BESS adopten mètodes especials de connexió de bobinatge (com la connexió delta) i tecnologia de blindatge per suprimir eficaçment els harmònics característics com els harmònics 3r i 5è, reduir l'impacte de la interferència harmònica en el sistema i garantir el funcionament estable del sistema d'emmagatzematge d'energia i la xarxa elèctrica.
1.5 Optimització de l'eficiència i reducció de pèrdues energètiques
Els transformadors són un dels principals components-consumidors d'energia a BESS, i la seva pèrdua d'energia (incloses les pèrdues sense-càrrega i la pèrdua de càrrega) afecten directament l'eficiència integral del sistema d'emmagatzematge d'energia. Els transformadors BESS d'alta-eficiència poden reduir la pèrdua d'energia mitjançant la selecció optimitzada del material del nucli, la millora del procés de bobinat i el disseny de baixa-impedància, millorant així els beneficis econòmics dels projectes d'emmagatzematge d'energia. S'estima que per a un transformador sec-de 35 kV i 3150 kVA, l'estalvi d'energia anual d'un transformador d'eficiència energètica de classe 1 pot arribar a uns 14.000 kWh en comparació amb un transformador d'eficiència energètica de classe 3.
2. Característiques tècniques i classificació dels transformadors BESS
En comparació amb els transformadors de potència tradicionals, els transformadors BESS s'enfronten a condicions de funcionament més severes: canvis freqüents de càrrega, flux d'energia bidireccional, alt contingut harmònic i estrictes requisits de seguretat. Per tant, tenen característiques tècniques úniques i es classifiquen en diferents tipus segons escenaris d'aplicació i estàndards de disseny.
2.1 Característiques tècniques bàsiques
Alta adaptabilitat al cicle: BESS ha de completar diversos cicles de càrrega-descàrrega cada dia, i el transformador ha de suportar freqüents mutacions de càrrega i fluctuacions de corrent sense degradació del rendiment. Mitjançant la selecció de làmines d'acer al silici d'alta-qualitat i l'estructura de bobinat optimitzada, es pot adaptar a un funcionament de cicle elevat-a llarg termini-, amb una vida útil de fins a 60 anys amb un manteniment raonable.
Forta resistència harmònica: com s'ha esmentat anteriorment, el transformador adopta un disseny estructural especial i una selecció de materials per suprimir la contaminació harmònica, reduir l'escalfament del bobinat i l'envelliment de l'aïllament causat pels harmònics i garantir un funcionament estable en un entorn alt harmònic[7].
Alta capacitat de suport a curt-circuits: en el procés de connexió i funcionament de la xarxa, BESS pot trobar avaries sobtades de curt-circuits. El transformador ha de tenir una forta resistència mecànica i estabilitat elèctrica per suportar l'impacte del corrent de curt-circuit sense deformacions ni danys, garantint la seguretat de tot el sistema.
Regulació de tensió flexible: en resposta a la fluctuació de tensió de la xarxa elèctrica i al canvi de tensió de la bateria durant la càrrega{0}}descàrrega, el transformador està equipat amb un mecanisme de regulació de voltatge flexible (com ara un canviador de voltatge-de càrrega-) per ajustar la tensió de sortida en temps real, garantint l'estabilitat de la transmissió d'energia.
Adaptabilitat ambiental: BESS s'utilitza àmpliament a l'aire lliure, parcs industrials i altres escenaris. El transformador ha de tenir una bona adaptabilitat ambiental, com ara resistència a alta temperatura, resistència a la humitat, resistència a la pols, etc. Per exemple, a zones d'alta-temperatura i alta-humitat com ara Dongguan, els transformadors estan equipats amb interfícies de refrigeració d'aire forçat i sistemes intel·ligents de control de temperatura per reduir l'augment de temperatura i millorar la capacitat de càrrega[7].
2.2 Classificació principal
Segons el mètode de refrigeració, el formulari d'instal·lació i l'escenari d'aplicació, transformació BESSes poden dividir en les següents categories:
Transformadors immersos de tipus-sec i d'oli-: a causa dels requisits de seguretat contra incendis dels projectes d'emmagatzematge d'energia de la bateria d'ions de liti-, els transformadors de tipus-sec s'utilitzen generalment en projectes domèstics perquè no contenen oli- i tenen una millor seguretat. Tanmateix, els transformadors-immersos en oli tenen avantatges en el cost, el consum d'energia i l'adaptabilitat ambiental, i també es poden seleccionar quan es compleixen els requisits de protecció contra incendis. Els transformadors de tipus sec-s'utilitzen àmpliament en estacions d'emmagatzematge d'energia interiors i en projectes d'emmagatzematge d'energia industrials i comercials, mentre que els transformadors immersos en petroli-són més adequats per a projectes d'emmagatzematge d'energia-exteriors-a gran escala.
Transformadors muntats en plaques-d'interiors: els transformadors muntats en plaques-són de mida petita, fàcils d'instal·lar i adequats per a projectes d'emmagatzematge d'energia distribuït (com ara parcs industrials i comercials, zones residencials) amb espai limitat; Els transformadors d'interior s'utilitzen principalment en estacions d'emmagatzematge d'energia interiors, amb un millor rendiment de protecció i adequats per a entorns exteriors durs.
Transformadors d'aïllament i transformadors-de pujar/reduir-: els transformadors d'aïllament se centren en proporcionar aïllament galvànic per protegir els components del sistema, que s'utilitzen àmpliament en escenaris amb requisits de seguretat elevats; Els transformadors reductors-pujadors/reduïts- són l'equip bàsic per a la conversió de tensió, que es divideixen en transformadors reduïts{- (per a la connexió a la xarxa de sistemes d'emmagatzematge d'energia) i transformadors reductors- (per carregar sistemes d'emmagatzematge d'energia) segons la direcció de conversió de la tensió.
3. Pràctiques d'aplicació dels transformadors BESS
Amb el ràpid desenvolupament de la indústria d'emmagatzematge d'energia, els transformadors BESS s'han utilitzat àmpliament en projectes d'emmagatzematge d'energia distribuïts, industrials i comercials, i han format solucions d'aplicació madures per a diferents escenaris. A continuació es combinen casos típics per elaborar les seves característiques d'aplicació.
3.1 Projectes d'emmagatzematge d'energia a escala d'utilitat-
Els projectes d'emmagatzematge d'energia a escala-de serveis públics tenen les característiques de gran capacitat, gran potència i connexió directa a la xarxa, que tenen requisits elevats d'eficiència, estabilitat i grau de tensió dels transformadors. En general, s'utilitzen transformadors d'alta-eficiència d'oli-immersos o secs-seca-per convertir la sortida de CA de baixa-tensió dels PCS a mitjana i alta tensió (10 kV–35 kV o superior) i integrar-la a la xarxa de transmissió i distribució. Per exemple, en projectes complementaris d'emmagatzematge-eòlic-solar-a gran escala, els transformadors s'han d'adaptar a les característiques intermitents i fluctuants de l'energia eòlica i solar, adonar-se de bidi.gestió del flux d'energia reacional i garantir l'estabilitat de la xarxa elèctrica. Al mateix temps, han de complir els estàndards pertinents d'IEC, IEEE o UL per garantir un funcionament fiable a llarg termini-.
3.2 Projectes d'emmagatzematge d'energia industrial i comercial
Els projectes d'emmagatzematge d'energia industrials i comercials s'utilitzen principalment per a l'afaitat de pics, l'ompliment de la vall i el subministrament d'energia d'emergència, amb cicles freqüents de càrrega-descàrrega i alts requisits de velocitat de resposta i resistència harmònica dels transformadors. El projecte d'emmagatzematge d'energia de 250KVA de Dongguan Machong és un cas típic: el projecte utilitza un transformador d'emmagatzematge d'energia especial de 250KVA amb conversió de tensió de 800V a 400V, que optimitza el disseny del bobinat per adaptar-se al flux d'energia bidireccional, adopta una tecnologia de blindatge especial per suprimir els harmònics i realitza una resposta de mil·lisegons-concordança{6}}perfecte{7} amb un disseny de baix nivell de tensió{7} perfecte. necessitats d'ajust del sistema d'emmagatzematge d'energia. A més, el transformador està equipat amb un sistema de control de temperatura intel·ligent per adaptar-se al clima d'alta-temperatura i alta-humitat de Dongguan, reduint l'augment de temperatura en més de 10 K i garantint el màxim benefici d'emmagatzematge d'energia.
3.3 Projectes d'emmagatzematge d'energia distribuït
Els projectes d'emmagatzematge d'energia distribuït (com ara zones residencials, petits parcs industrials) tenen una capacitat reduïda, una ocupació d'espai reduïda i uns elevats requisits de miniaturització i flexibilitat dels transformadors. En general, s'utilitzen transformadors de tipus sec-muntats en coixinet-o petits transformadors d'aïllament, que tenen les característiques de mida petita, fàcil instal·lació i baix soroll. Al mateix temps, s'han d'adaptar a la fluctuació de tensió de la xarxa de distribució i a la càrrega freqüent-descàrrega de petits sistemes d'emmagatzematge d'energia, garantint la seguretat i l'estabilitat del subministrament d'energia local. Per exemple, als sistemes d'emmagatzematge d'energia domèstic, s'utilitzen petits transformadors d'aïllament per aïllar el sistema de bateries de la xarxa elèctrica domèstica, evitant que les avaries afectin la seguretat de l'ús de l'electricitat domèstica.
3.4 Aplicació d'arquitectura d'integració innovadora
En els últims anys, amb el desenvolupament de la tecnologia de transformadors intel·ligents, ha sorgit una arquitectura innovadora que integra BESS en transformadors intel·ligents. Aquesta arquitectura utilitza un convertidor de corrent continu-tipus quatre-actiu-pont (CF{-QAB){-CC com a nucli i afegeix un port al nivell de CC-CC aïllat del transformador intel·ligent per aconseguir la integració directa de BESS sense convertidors addicionals. En comparació amb l'esquema d'integració tradicional, aquesta arquitectura redueix el nombre de dispositius en un 20% aproximadament i l'eficiència del convertidor arriba al 98,12%, que és significativament superior a l'esquema tradicional. La verificació experimental mostra que quan canvia la tensió de la bateria, la tensió lateral de baixa tensió es pot mantenir de manera estable i la potència de transmissió total es pot ajustar dinàmicament sense fluctuacions, proporcionant un nou camí tècnic per a la integració eficient de BESS i transformadors.
4. Criteris de selecció clau i requisits tècnics per als transformadors BESS
La selecció de transformadors BESS afecta directament l'eficiència, la seguretat i els beneficis econòmics de tot el sistema d'emmagatzematge d'energia. Cal tenir en compte de manera exhaustiva factors com ara la capacitat del sistema, el grau de tensió, les condicions de funcionament i els requisits de seguretat, i seguir els criteris de selecció clau i els requisits tècnics següents.
4.1 Adaptació de capacitat
La capacitat nominal del transformador ha de coincidir amb la potència nominal de PCS i, al mateix temps, s'han de tenir en compte els requisits d'operació de pèrdua de potència auxiliar i sobrecàrrega. En general, no hauria de ser inferior a 1,05 vegades la potència nominal del PCS connectat per garantir el funcionament segur-a llarg termini del transformador. Cal tenir en compte que reduir cegament la capacitat del transformador per reduir costos comportarà un marge de funcionament insuficient i afectarà l'estabilitat del sistema. Per exemple, en alguns projectes d'emmagatzematge d'energia centralitzat, l'elecció d'un transformador amb capacitat insuficient provocarà un sobreescalfament i un envelliment del transformador durant el funcionament a llarg termini-, reduint-ne la vida útil.
4.2 Nivell d'eficiència energètica
El nivell d'eficiència energètica del transformador afecta directament la pèrdua d'energia i el cost operatiu del sistema d'emmagatzematge d'energia. L'estàndard nacional "Límit d'eficiència energètica i nivell d'eficiència energètica dels transformadors de potència" divideix l'eficiència energètica en tres nivells, entre els quals el nivell 1 té la més alta eficiència energètica. En seleccionar, cal comparar exhaustivament l'economia i l'eficiència i seleccionar transformadors que compleixin els estàndards d'eficiència energètica pertinents. Per a projectes d'emmagatzematge d'energia a gran-escala amb un temps de funcionament llarg, seleccionar transformadors d'eficiència energètica de nivell 1 pot estalviar molts costos d'electricitat durant tot el cicle de vida.
4.3 Selecció del mètode de refrigeració
La selecció del mètode de refrigeració s'ha de basar en l'escenari d'aplicació i els requisits de seguretat. A les estacions d'emmagatzematge d'energia interiors i als projectes d'emmagatzematge d'energia de la bateria d'ions de liti-, s'han de preferir els transformadors de tipus sec- per la seva bona seguretat i sense risc d'incendi i explosió. En projectes d'emmagatzematge d'energia-a gran escala a l'aire lliure, es poden seleccionar transformadors immersos en petroli- quan es compleixen els requisits de protecció contra incendis, aprofitant el seu baix consum d'energia i el seu baix cost. Al mateix temps, les mesures de refrigeració corresponents (com ara refrigeració per aire forçada, refrigeració forçada per oli) s'han de configurar segons l'entorn operatiu per assegurar-se que el transformador funcioni dins del rang de temperatura admissible.
4.4 Coincidència de paràmetres clau
A més de la capacitat i l'eficiència energètica, la selecció dels transformadors també ha de tenir en compte la concordança de paràmetres clau com ara la tensió nominal, la impedància de curt-circuit, l'abast de la presa i el grup de connexió. Per exemple, la tensió nominal del costat de baixa-tensió del transformador hauria de coincidir amb la tensió nominal del costat de CA del PCS, i la tensió nominal del costat de l'alta-tensió hauria de coincidir amb la tensió del costat de baixa-tensió del transformador principal; el grup de connexió normalment adopta el mode de connexió Dy11 per adaptar-se al flux d'energia bidireccional i als requisits de supressió d'harmònics de BESS.
4.5 Seguretat i fiabilitat
El transformador ha de tenir un rendiment d'aïllament fiable, una capacitat de resistència a curt-circuits i una funció de protecció contra sobretensions per adaptar-se al dur entorn operatiu de BESS. Per exemple, el nivell d'aïllament ha de complir els requisits de la tensió de funcionament i el bobinatge s'ha de tractar amb aïllament per evitar l'envelliment i l'avaria de l'aïllament; El transformador ha d'estar equipat amb monitorització de temperatura, protecció contra sobreintensitat i altres dispositius per detectar i gestionar les avaries a temps, garantint la seguretat del sistema.
5. Tendències de desenvolupament futur
Amb l'expansió contínua de l'escala de BESS i la millora contínua dels requisits tècnics, els transformadors per a BESS s'enfronten a nous reptes, alhora que mostren una clara tendència de desenvolupament cap a una alta eficiència, intel·ligència, integració i miniaturització.
5.2 Tendències de desenvolupament futur
Alta eficiència i baixes pèrdues: amb la millora contínua dels estàndards d'eficiència energètica, la investigació i el desenvolupament de transformadors d'alta{0}}eficiència es convertiran en el focus. Mitjançant l'adopció de nous materials bàsics (com ara l'aliatge amorf), l'optimització de l'estructura de bobinats i la millora dels processos de fabricació, es reduiran encara més les pèrdues de càrrega sense -de càrrega dels transformadors i es millorarà l'eficiència integral de BESS.
Actualització intel·ligent: els transformadors BESS s'integraran amb tecnologies intel·ligents com Internet de les coses (IoT), big data i intel·ligència artificial. Mitjançant el seguiment-en temps real dels paràmetres de funcionament del transformador (temperatura, corrent, tensió, etc.), es realitzarà un manteniment predictiu i un diagnòstic d'avaries, reduint els costos de manteniment i millorant la fiabilitat del sistema. Al mateix temps, realitzarà una interacció intel·ligent amb PCS i xarxes intel·ligents, millorant la flexibilitat i la controlabilitat dels sistemes d'emmagatzematge d'energia.
Integració i miniaturització: la integració de transformadors i PCS es convertirà en una nova tendència, reduint el volum i el pes del sistema, simplificant el procés d'instal·lació i reduint el cost de tot el sistema d'emmagatzematge d'energia. Per exemple, la innovadora arquitectura integrada de transformadors intel·ligents i BESS pot reduir el nombre de dispositius i millorar l'eficiència d'integració. Al mateix temps, el disseny de miniaturització farà que els transformadors siguin més adequats per a escenaris d'emmagatzematge d'energia distribuït amb espai limitat.
Personalització i diversificació: amb la diversificació dels escenaris d'aplicació BESS (costat de la utilitat-, industrial i comercial-, distribuït), la demanda de transformadors personalitzats augmentarà. Els transformadors es dissenyaran segons les necessitats específiques dels diferents projectes, com ara el grau de tensió, la capacitat, l'entorn operatiu i els requisits de seguretat, per millorar l'adaptabilitat i l'economia del sistema.
Verd i baix-carboni: en el context de l'estratègia de "doble carboni", s'accelerarà la transformació verda i baixa-carboni dels transformadors. L'ús de materials respectuosos amb el medi ambient (com ara materials d'aïllament no-tòxics i degradables) i l'optimització del disseny-d'estalvi d'energia reduiran l'impacte ambiental dels transformadors, aconseguint el desenvolupament ecològic de tota la indústria d'emmagatzematge d'energia.
6. Conclusió
Com a component bàsic de la interfície dels sistemes d'emmagatzematge d'energia de la bateria, els transformadors realitzen les tasques clau de conversió de tensió, gestió del flux d'energia bidireccional, protecció de seguretat i optimització de l'eficiència, que són crucials per al funcionament estable, eficient i segur de BESS. Amb el ràpid desenvolupament de la indústria d'emmagatzematge d'energia, els requisits tècnics dels transformadors BESS milloren constantment i els transformadors es desenvolupen cap a una alta eficiència, intel·ligència, integració i miniaturització.
En el futur, amb l'avenç continu de nous materials, noves tecnologies i noves arquitectures, els transformadors BESS s'adaptaran millor a les necessitats de desenvolupament de sistemes d'emmagatzematge d'energia verda, intel·ligents i a gran-escala, oferiran un suport més fort per a la integració d'energies renovables i la construcció de xarxes intel·ligents, i faran contribucions importants a la transformació energètica global i a la consecució de l'objectiu del "doble carboni". Per als dissenyadors, operadors i fabricants d'equips de projectes d'emmagatzematge d'energia, cal prestar una atenció total a la selecció i aplicació de transformadors i promoure el desenvolupament saludable i sostenible de la indústria d'emmagatzematge d'energia mitjançant el disseny científic, la selecció racional i el funcionament intel·ligent.