Зі швидким розвитком інтеграції відновлюваної енергетики та поглибленням глобальної стратегії «подвійного вуглецю» системи накопичення енергії від акумуляторів (BESS) стали основною підтримкою сучасних енергетичних систем, виконуючи такі важливі завдання, як скорочення піків, заповнення долин, регулювання частоти та компенсація флуктуацій енергії відновлюваних джерел. У центрі ланцюга перетворення та передачі енергії BESS лежить ключовий компонент-трансформатор. На відміну від традиційних силових трансформаторів, трансформатори для BESS розроблені для адаптації до двонаправленого потоку енергії, частих циклів заряду-розряду та високих гармонійних перешкод систем зберігання енергії, служачи «мостом» між акумуляторними модулями, системами перетворення електроенергії (PCS) і електромережею. Ця стаття систематично розкриває роль, технічні характеристики, практику застосування, ключові критерії вибору та майбутні тенденції розвитку трансформаторів у BESS, надаючи повну довідкову інформацію щодо проектування, експлуатації та оптимізації проектів зберігання енергії.
1. Основна роль трансформаторів у акумуляторних системах накопичення енергії
Системи накопичення енергії батареї працюють на основі циклічного перетворення електричної енергії: під час фази заряджання мережа або відновлювані джерела енергії постачають енергію для зарядки модулів батареї (перетворюється зі змінного струму на постійний за допомогою PCS); під час фази розрядки енергія постійного струму, накопичена в батареях, перетворюється назад на змінний струм за допомогою PCS і подається в мережу або подається на навантаження. Трансформатори, як основне інтерфейсне обладнання, виконують п’ять незамінних основних функцій у цьому процесі, безпосередньо визначаючи ефективність, стабільність і безпеку всього BESS.
1.1 Перетворення та узгодження напруги
Акумуляторні модулі в BESS зазвичай видають енергію постійного струму низької-напруги, яка після інверсії перетворюється на низьку{1}}напругу змінного струму (зазвичай 480–690 В) за допомогою PCS. Однак мережа живлення зазвичай працює на середньому або високому рівні напруги (наприклад, 10 кВ, 35 кВ або вище) для ефективної передачі-на великі відстані. Трансформатор реалізує підвищення-низької-напруги змінного струму до-напруги мережі під час розрядки та зниження-напруги мережі до -адаптивної низької напруги PCS під час заряджання, забезпечуючи бездоганну відповідність між системою накопичення енергії та класом напруги мережі[6]. Наприклад, у проекті зберігання енергії потужністю 250 кВА в Дунгуані трансформатор реалізує перетворення напруги з 800 В на 400 В, задовольняючи вимоги щодо інтеграції системи накопичення енергії в заводську низьковольтну -мережу розподілу.
1.2 Двонаправлене керування потоком електроенергії
На відміну від традиційних трансформаторів, які обробляють лише односпрямований потік енергії, трансформатори BESS повинні адаптуватися до характеристик двонаправленого потоку енергії під час заряджання та розряджання. Завдяки оптимізованій конструкції обмотки та конфігурації магнітного кола вони забезпечують високу ефективність і низькі втрати в обох робочих режимах, уникаючи втрати енергії, викликаної вузькими місцями в односпрямованому дизайні. Ця двонаправлена адаптивність є ключовою відмінністю трансформаторів BESS від звичайних силових трансформаторів, а також є важливою гарантією гнучкої роботи систем накопичення енергії.
1.3 Гальванічна ізоляція та захист безпеки
BESS включає-перетворення електричної енергії високої потужності, і ризик таких несправностей, як перенапруга, коротке замикання та гармонічні перешкоди, відносно високий. Трансформатори забезпечують ефективну гальванічну розв’язку між акумуляторною системою, PCS і мережею, запобігаючи поширенню несправностей з одного боку на іншу та захищаючи безпеку основних компонентів, таких як акумуляторні модулі та PCS. Наприклад, у проектах накопичення енергії літій-іонних акумуляторів захист ізоляції може ефективно уникнути ризику пожежі та вибуху, спричиненого-несправностями мережі, що впливають на кластер акумуляторів, підвищуючи загальну безпеку системи.
1.4 Пом'якшення гармоній і підвищення стабільності
PCS у BESS генеруватиме велику кількість гармонік високого-порядку під час роботи, що не лише забруднює електромережу, але й спричинить перегрів, старіння та зниження ефективності обмоток трансформатора. Трансформатори BESS використовують спеціальні методи з’єднання обмоток (наприклад, з’єднання «трикутник») і технологію екранування для ефективного придушення характерних гармонік, таких як 3-я та 5-та гармоніки, зменшення впливу гармонійних перешкод на систему та забезпечення стабільної роботи системи зберігання енергії та електромережі.
1.5 Оптимізація ефективності та зменшення втрат енергії
Трансформатори є одними з основних-енергоспоживаючих компонентів у BESS, і їхні втрати енергії (включно з-втратами без навантаження та втратами навантаження) безпосередньо впливають на загальну ефективність системи зберігання енергії. Високо-ефективні трансформатори BESS можуть зменшити втрати енергії завдяки оптимізованому вибору матеріалу сердечника, покращенню процесу намотування та конструкції з низьким-імпедансом, тим самим підвищуючи економічні переваги проектів зберігання енергії. Підраховано, що для сухого трансформатора 35 кВ 3150 кВА, річна економія електроенергії трансформатора класу 1 енергоефективності може сягати приблизно 14 000 кВт-год порівняно з трансформатором класу енергоефективності 3.
2. Технічні характеристики та класифікація трансформаторів BESS
У порівнянні з традиційними силовими трансформаторами, трансформатори BESS стикаються з більш суворими умовами експлуатації: часті зміни навантаження, двонаправлений потік потужності, високий вміст гармонік і суворі вимоги безпеки. Тому вони мають унікальні технічні характеристики та класифікуються на різні типи відповідно до сценаріїв застосування та стандартів проектування.
2.1 Основні технічні характеристики
Висока адаптивність до змін циклів: BESS потрібно щодня виконувати кілька циклів заряду-розряду, і трансформатор має витримувати часті мутації навантаження та коливання струму без погіршення продуктивності. Завдяки вибору високо-якісних кремнієвих сталевих листів і оптимізованій структурі намотування він може адаптуватися до тривалої -тривалої -циклічної роботи зі строком служби до 60 років за розумного обслуговування.
Високий гармонічний опір: як згадувалося раніше, трансформатор використовує особливу структурну конструкцію та вибір матеріалів для придушення гармонійного забруднення, зменшення нагріву обмотки та старіння ізоляції, викликаного гармоніками, і забезпечення стабільної роботи в середовищі з високим рівнем гармонік [7].
Висока стійкість до короткого-замикання: у процесі підключення до мережі та експлуатації BESS може зіткнутися з раптовими короткими{1}}замиканнями. Трансформатор повинен мати високу механічну міцність і електричну стабільність, щоб протистояти впливу струму короткого-замикання без деформації чи пошкодження, забезпечуючи безпеку всієї системи.
Гнучке регулювання напруги: реагуючи на коливання напруги в електромережі та зміну напруги батареї під час заряджання-розряджання, трансформатор оснащено механізмом гнучкого регулювання напруги (наприклад, перемикачем-навантаження-перемикачем), щоб регулювати вихідну напругу в режимі реального часу, забезпечуючи стабільність передачі енергії.
Адаптованість до навколишнього середовища: BESS широко використовується на відкритому повітрі, у промислових парках та інших сценаріях. Трансформатор повинен мати хорошу адаптивність до навколишнього середовища, наприклад, стійкість до високих температур, вологості, стійкість до пилу тощо. Наприклад, у зонах із високою-температурою та високою{3}}вологістю, таких як Дунгуань, трансформатори оснащені інтерфейсами примусового повітряного охолодження та інтелектуальними системами контролю температури, щоб зменшити підвищення температури та покращити навантажувальну здатність[7].
2.2 Основна класифікація
Відповідно до методу охолодження, форми установки та сценарію застосування BESS transformможна розділити на такі категорії:
Сухі-типи та масляні-заглиблені трансформатори: через вимоги протипожежної безпеки для літій-іонних батарей накопичувачів енергії, сухі-типи трансформаторів зазвичай використовуються в домашніх проектах, оскільки вони-безмасляні та мають кращу безпеку. Проте масляні-трансформатори мають переваги у вартості, енергоспоживанні та адаптованості до навколишнього середовища, а також можуть бути обрані, якщо виконуються вимоги протипожежного захисту. Сухі-типи трансформаторів широко використовуються в закритих станціях накопичення енергії та промислових і комерційних проектах зберігання енергії, тоді як масляні-занурені трансформатори більше підходять для великих-масштабних-проектів зовнішніх-накопичувачів енергії.
Трансформатори для-монтування та внутрішні трансформатори: трансформатори для-монтування на панелі невеликі за розміром, прості в установці та підходять для розподілених проектів зберігання енергії (таких як промислові та комерційні парки, житлові райони) з обмеженим простором; Внутрішні трансформатори в основному використовуються у внутрішніх станціях зберігання енергії, мають кращі характеристики захисту та підходять для суворих зовнішніх умов.
Ізоляційні трансформатори та ступінчасті-підйомні/понижуючі-трансформатори: розділові трансформатори зосереджені на забезпеченні гальванічної розв’язки для захисту компонентів системи, які широко використовуються в сценаріях із високими вимогами безпеки; Підвищувальні/знижуючі-трансформатори є основним обладнанням для перетворення напруги, яке поділяється на підвищувальні трансформатори (для підключення систем накопичення енергії до мережі) і знижувальні трансформатори (для заряджання систем накопичення енергії) відповідно до напрямку перетворення напруги.
3. Практика застосування трансформаторів BESS
Зі швидким розвитком індустрії зберігання енергії трансформатори BESS широко використовувалися в-комунальних, промислових і комерційних-проектах, а також у проектах розподіленого накопичення енергії та створили зрілі прикладні рішення для різних сценаріїв. Нижче наведено типові випадки, щоб детально розкрити характеристики їх застосування.
3.1 Масштабні-проекти зберігання енергії
Проекти-масштабних накопичувачів енергії мають характеристики великої ємності, високої потужності та прямого підключення до мережі, які мають високі вимоги до ефективності, стабільності та рівня напруги трансформаторів. Зазвичай високо-масляні{3}}занурені або сухі-підвищувальні-трансформатори використовуються для перетворення низької-напруги змінного струму на виході PCS у середню та високу напругу (10–35 кВ або вище) та інтегрування в мережу передачі та розподілу. Наприклад, у великих-масштабних вітрових-сонячних-додаткових проектах акумулювання трансформатори повинні адаптуватися до переривчастих і коливальних характеристик вітрової та сонячної енергії, реалізувати бідіуправління ректальним потоком енергії та забезпечення стабільності електромережі. Водночас вони мають відповідати відповідним стандартам IEC, IEEE або UL, щоб забезпечити довго-надійну роботу.
3.2 Промислові та комерційні проекти зберігання енергії
Промислові та комерційні проекти зберігання енергії в основному використовуються для зменшення піків, заповнення долин і аварійного електропостачання з частими циклами заряду-розряду та високими вимогами до швидкості відгуку та гармонійного опору трансформаторів. Проект накопичення енергії Dongguan Machong 250 кВА є типовим випадком: у проекті використовується спеціальний трансформатор накопичення енергії потужністю 250 кВА з перетворенням напруги 800 В на 400 В, який оптимізує конструкцію обмотки для адаптації до двонаправленого потоку енергії, застосовує спеціальну технологію екранування для придушення гармонік і реалізує відповідь на мілісекундний-рівень напруги завдяки конструкції з низьким-імпедансом, ідеально відповідність потребам швидкого налаштування системи зберігання енергії. Крім того, трансформатор оснащено інтелектуальною системою контролю температури для адаптації до високої-температури та-клімату високої{10}}вологості в Дунгуані, зменшуючи підвищення температури більш ніж на 10 К і забезпечуючи максимальну користь від зберігання енергії.
3.3 Проекти розподіленого зберігання енергії
Проекти розподілених накопичувачів енергії (такі як житлові райони, невеликі індустріальні парки) мають малу потужність, займають невеликий простір і високі вимоги до мініатюризації та гнучкості трансформаторів. Як правило, використовуються сухі трансформатори-типу або малі розділові трансформатори, які мають невеликий розмір, легке встановлення та низький рівень шуму. У той же час їм потрібно адаптуватися до коливань напруги в розподільній мережі та частого заряду-розряду малих систем зберігання енергії, забезпечуючи безпеку та стабільність місцевого електропостачання. Наприклад, у побутових системах зберігання енергії невеликі розділові трансформатори використовуються для ізоляції акумуляторної системи від домашньої електромережі, запобігаючи впливу несправностей на безпеку побутового використання електроенергії.
3.4 Інноваційна програма архітектури інтеграції
В останні роки з розвитком технології розумних трансформаторів з’явилася інноваційна архітектура, яка інтегрує BESS у розумні трансформатори. Ця архітектура використовує джерело струму-типу чотири-активний-міст (CF-QAB) DC-перетворювач постійного струму як ядро та додає порт на ізольованому рівні DC-DC розумного трансформатора для реалізації прямої інтеграції BESS без додаткових перетворювачів. У порівнянні з традиційною схемою інтеграції ця архітектура скорочує кількість пристроїв приблизно на 20%, а ККД перетворювача досягає 98,12%, що значно вище традиційної схеми. Експериментальна перевірка показує, що коли напруга батареї змінюється, напруга на стороні низької{11}}напруги може стабільно підтримуватися, а загальна потужність передачі може динамічно регулюватися без коливань, забезпечуючи новий технічний шлях для ефективної інтеграції BESS і трансформаторів.
4. Основні критерії вибору та технічні вимоги до трансформаторів BESS
Вибір трансформаторів BESS безпосередньо впливає на ефективність, безпеку та економічні переваги всієї системи зберігання енергії. Необхідно всебічно розглянути такі фактори, як потужність системи, клас напруги, умови експлуатації та вимоги безпеки, а також дотримуватися наступних ключових критеріїв вибору та технічних вимог.
4.1 Відповідність ємності
Номінальна потужність трансформатора повинна відповідати номінальній потужності PCS, і в той же час слід враховувати вимоги щодо втрати допоміжної потужності та перевантаження. Загалом, щоб забезпечити довгострокову безпечну роботу трансформатора, вона не повинна перевищувати в 1,05 рази номінальну потужність підключеної PCS. Слід зазначити, що сліпе зменшення потужності трансформатора для зниження витрат призведе до недостатнього запасу роботи та вплине на стабільність системи. Наприклад, у деяких централізованих проектах зберігання енергії вибір трансформатора з недостатньою потужністю призведе до перегріву та старіння трансформатора під час тривалої-експлуатації, скорочуючи термін його служби.
4.2 Рівень енергоефективності
Рівень енергоефективності трансформатора безпосередньо впливає на втрати енергії та експлуатаційні витрати системи накопичення енергії. Національний стандарт «Межа енергоефективності та рівень енергоефективності силових трансформаторів» поділяє енергоефективність на три рівні, серед яких Рівень 1 має найвищу енергоефективність. При виборі необхідно всебічно порівнювати економічність і ефективність і підбирати трансформатори, які відповідають відповідним нормам енергоефективності. Для великомасштабних-проектів зберігання енергії з тривалим часом роботи вибір трансформаторів енергоефективності рівня 1 може заощадити багато витрат на електроенергію протягом усього життєвого циклу.
4.3 Вибір методу охолодження
Вибір методу охолодження повинен базуватися на сценарії застосування та вимогах безпеки. У закритих станціях зберігання енергії та проектах накопичення енергії в літій-іонних батареях слід віддавати перевагу сухим-трансформаторам через їх надійну безпеку та відсутність ризику пожежі та вибуху. У великомасштабних-проектах накопичення енергії на відкритому повітрі масляні-трансформатори можна вибрати, якщо відповідають вимогам протипожежного захисту, використовуючи переваги їхнього низького енергоспоживання та низької вартості. У той же час відповідні заходи охолодження (такі як примусове повітряне охолодження, примусове охолодження масла) повинні бути налаштовані відповідно до робочого середовища, щоб гарантувати, що трансформатор працює в допустимому діапазоні температур.
4.4 Зіставлення ключових параметрів
Окрім потужності та енергоефективності, під час вибору трансформаторів також потрібно враховувати відповідність ключових параметрів, таких як номінальна напруга, опір-короткого замикання, діапазон відводів і група з’єднань. Наприклад, номінальна напруга на стороні низької-напруги трансформатора має відповідати номінальній напрузі на стороні змінного струму PCS, а номінальна напруга на стороні високої-напруги має відповідати напрузі на боці низької{4}}напруги основного трансформатора; група підключення зазвичай приймає режим підключення Dy11 для адаптації до двонаправленого потоку енергії та вимог BESS щодо придушення гармонік.
4.5 Безпека та надійність
Трансформатор повинен мати надійну ізоляцію, здатність витримувати короткі-замикання та функцію захисту від перенапруги, щоб адаптуватися до жорстких умов експлуатації BESS. Наприклад, рівень ізоляції повинен відповідати вимогам робочої напруги, а обмотка повинна бути оброблена ізоляцією для запобігання старінню ізоляції та пробою; трансформатор повинен бути обладнаний пристроями контролю температури, захисту від перевантаження по струму та іншими пристроями для своєчасного виявлення та усунення несправностей, забезпечуючи безпеку системи.
5. Майбутні тенденції розвитку
З безперервним розширенням масштабу BESS і безперервним удосконаленням технічних вимог трансформатори для BESS стикаються з новими викликами, а також демонструють чітку тенденцію розвитку до високої ефективності, інтелекту, інтеграції та мініатюризації.
5.2 Майбутні тенденції розвитку
Висока ефективність і низькі втрати: завдяки постійному вдосконаленню стандартів енергоефективності дослідження та розробка високо-ефективних трансформаторів стануть у центрі уваги. Завдяки застосуванню нових матеріалів сердечника (таких як аморфний сплав), оптимізації структури обмотки та вдосконаленню виробничих процесів втрати на холостому ходу та втрати навантаження трансформаторів будуть додатково зменшені, а ефективність BESS буде покращена.
Інтелектуальне оновлення: трансформатори BESS будуть інтегровані з такими інтелектуальними технологіями, як Інтернет речей (IoT), великі дані та штучний інтелект. Завдяки-моніторингу робочих параметрів трансформатора (температура, струм, напруга тощо) в реальному часі буде реалізовано прогнозне технічне обслуговування та діагностика несправностей, що зменшить витрати на технічне обслуговування та підвищить надійність системи. У той же час він реалізує інтелектуальну взаємодію з PCS і розумними мережами, підвищуючи гнучкість і керованість систем зберігання енергії.
Інтеграція та мініатюризація: інтеграція трансформаторів і PCS стане новою тенденцією, що дозволить зменшити об’єм і вагу системи, спростити процес встановлення та знизити вартість усієї системи накопичення енергії. Наприклад, інноваційна інтегрована архітектура розумних трансформаторів і BESS може зменшити кількість пристроїв і підвищити ефективність інтеграції. У той же час конструкція мініатюризації зробить трансформатори більш придатними для сценаріїв розподіленого зберігання енергії з обмеженим простором.
Індивідуалізація та диверсифікація: із диверсифікацією сценаріїв застосування BESS (-комунальна-сторона, промислова та комерційна-сторона, розподілене) попит на індивідуальні трансформатори зросте. Трансформатори будуть розроблені відповідно до конкретних потреб різних проектів, таких як клас напруги, потужність, робоче середовище та вимоги безпеки, щоб покращити адаптивність та економічність системи.
Екологічні та низькі-вуглецеві викиди: у контексті стратегії «подвійного вуглецю» перетворення трансформаторів на екологічні та низькі-вуглецеві викиди буде прискорено. Використання екологічно чистих матеріалів (таких як не-токсичні ізоляційні матеріали, що розкладаються) і оптимізація-енергозберігаючої конструкції зменшать вплив трансформаторів на навколишнє середовище, реалізуючи екологічний розвиток усієї галузі зберігання енергії.
6. Висновок
Будучи основним компонентом інтерфейсу акумуляторних систем накопичення енергії, трансформатори виконують ключові завдання перетворення напруги, керування двонаправленим потоком електроенергії, захисту безпеки та оптимізації ефективності, які є вирішальними для стабільної, ефективної та безпечної роботи BESS. Зі швидким розвитком індустрії зберігання енергії технічні вимоги до трансформаторів BESS постійно вдосконалюються, а трансформатори розвиваються в напрямку високої ефективності, інтелекту, інтеграції та мініатюризації.
У майбутньому, завдяки постійному прориву нових матеріалів, нових технологій і нових архітектур, трансформатори BESS краще адаптуватимуться до потреб розвитку велико-масштабних, інтелектуальних і екологічно чистих систем накопичення енергії, забезпечать сильнішу підтримку для інтеграції відновлюваної енергії та побудови розумних мереж, а також зроблять важливий внесок у глобальну енергетичну трансформацію та реалізацію цілі «подвійного вуглецю». Розробникам проектів зберігання енергії, операторам і виробникам обладнання необхідно приділяти повну увагу вибору та застосуванню трансформаторів, а також сприяти здоровому та сталому розвитку галузі накопичення енергії шляхом наукового проектування, раціонального вибору та розумної експлуатації.
