С бързия напредък на интеграцията на възобновяема енергия и задълбочаването на глобалната стратегия за "двоен въглерод", системите за съхранение на енергия от батерии (BESS) се превърнаха в основната подкрепа за съвременните енергийни системи, поемайки критични задачи като намаляване на пиковете, запълване на долини, регулиране на честотата и компенсиране на флуктуациите на възобновяемата енергия. В сърцето на веригата за преобразуване и предаване на енергия на BESS лежи ключов компонент-трансформаторът. За разлика от традиционните силови трансформатори, трансформаторите за BESS са проектирани да се адаптират към двупосочния енергиен поток, честите цикли на зареждане-разреждане и характеристиките на висока хармонична интерференция на системите за съхранение на енергия, служейки като „мост“ между батерийните модули, системите за преобразуване на енергия (PCS) и електрическата мрежа. Тази статия систематично разработва ролята, техническите характеристики, практиките на приложение, ключовите критерии за избор и бъдещите тенденции на развитие на трансформаторите в BESS, предоставяйки изчерпателна справка за проектирането, експлоатацията и оптимизирането на проекти за съхранение на енергия.
1. Основната роля на трансформаторите в батерийните системи за съхранение на енергия
Системите за съхранение на енергия от батерии работят на базата на циклично преобразуване на електрическа енергия: по време на фазата на зареждане, мрежата или възобновяемите енергийни източници доставят енергия за зареждане на модулите на батериите (преобразувани от AC в DC от PCS); по време на фазата на разреждане DC енергията, съхранявана в батериите, се преобразува обратно в AC от PCS и се подава в мрежата или се доставя към товара. Трансформаторите, като основно интерфейсно оборудване, изпълняват пет незаменими основни функции в този процес, като директно определят ефективността, стабилността и безопасността на целия BESS.
1.1 Трансформация и съгласуване на напрежението
Батерийните модули в BESS обикновено извеждат постоянна енергия с ниско-напрежение, което се преобразува в ниско{1}}променливо напрежение (обикновено 480V–690V) от PCS след инверсия. Въпреки това, електрическата мрежа обикновено работи на средни или високи нива на напрежение (като 10kV, 35kV или по-високи) за ефективно предаване на дълги-разстояния. Трансформаторът реализира стъпка-нагоре на ниско-напрежение AC до-напрежението на мрежата по време на разреждане и стъпка-надолу на напрежението на мрежата до PCS-адаптивно ниско напрежение по време на зареждане, осигурявайки безпроблемно съвпадение между системата за съхранение на енергия и степента на напрежение на мрежата[6]. Например, в проекта за съхранение на енергия Dongguan 250KVA, трансформаторът реализира преобразуване на напрежение от 800V към 400V, отговаряйки на търсенето на интегриране на системата за съхранение на енергия във фабричната разпределителна мрежа за ниско{19}}напрежение.
1.2 Двупосочно управление на мощностния поток
За разлика от традиционните трансформатори, които се справят само с еднопосочен поток на енергия, трансформаторите BESS трябва да се адаптират към характеристиките на двупосочния поток на енергия по време на зареждане и разреждане. Чрез оптимизиран дизайн на намотките и конфигурация на магнитната верига, те осигуряват висока ефективност и ниски загуби и в двата режима на работа, избягвайки загубата на енергия, причинена от еднопосочни затруднения в дизайна. Тази двупосочна адаптивност е ключовата разлика между трансформаторите BESS и конвенционалните силови трансформатори и също така е важна гаранция за гъвкавата работа на системите за съхранение на енергия.
1.3 Галванична изолация и защита на безопасността
BESS включва преобразуване на-електрическа енергия с висока мощност и рискът от неизправности като пренапрежение, късо съединение и хармонични смущения е относително висок. Трансформаторите осигуряват ефективна галванична изолация между акумулаторната система, PCS и мрежата, като предотвратяват разпространението на грешки от едната страна към другата и защитават безопасността на основните компоненти, като батерийни модули и PCS. Например, в проекти за съхранение на енергия от литиево-йонни батерии, изолационната защита може ефективно да избегне риска от пожар и експлозия, причинени от неизправности от страна на мрежата-, засягащи клъстера на батерията, подобрявайки цялостната безопасност на системата.
1.4 Намаляване на хармониците и подобряване на стабилността
PCS в BESS ще генерира голям брой хармоници от висок-порядък по време на работа, които не само ще замърсят електрическата мрежа, но и ще причинят прегряване, стареене и намаляване на ефективността на намотките на трансформатора. Трансформаторите BESS приемат специални методи за свързване на намотките (като триъгълна връзка) и технология за екраниране за ефективно потискане на характерни хармоници като 3-ти и 5-ти хармоници, намаляване на въздействието на хармоничните смущения върху системата и осигуряване на стабилна работа на системата за съхранение на енергия и електрическата мрежа.
1.5 Оптимизиране на ефективността и намаляване на загубите на енергия
Трансформаторите са едни от основните-консумиращи енергия компоненти в BESS и тяхната загуба на енергия (включително загуба при-без натоварване и загуба на натоварване) пряко влияе върху цялостната ефективност на системата за съхранение на енергия. Високо-ефективните BESS трансформатори могат да намалят загубата на енергия чрез оптимизиран избор на материал на сърцевината, подобряване на процеса на навиване и дизайн с нисък-импеданс, като по този начин подобряват икономическите ползи от проектите за съхранение на енергия. Изчислено е, че за 35kV 3150kVA сух-тип трансформатор, годишното спестяване на енергия на трансформатор за енергийна ефективност от клас 1 може да достигне около 14 000 kWh в сравнение с трансформатор за енергийна ефективност от клас 3.
2. Технически характеристики и класификация на трансформаторите BESS
В сравнение с традиционните силови трансформатори, BESS трансформаторите са изправени пред по-тежки условия на работа: чести промени в натоварването, двупосочен поток на мощността, високо съдържание на хармоници и строги изисквания за безопасност. Поради това те имат уникални технически характеристики и се класифицират в различни типове според сценариите на приложение и стандартите за проектиране.
2.1 Основни технически характеристики
Висока циклична адаптивност: BESS трябва да изпълнява няколко цикъла на зареждане-разреждане всеки ден и трансформаторът трябва да издържа на чести мутации на натоварването и флуктуации на тока без влошаване на производителността. Чрез избора на високо-качествени листове от силициева стомана и оптимизирана структура на навиване, той може да се адаптира към дългосрочна-работа с високи-цикли, със срок на експлоатация до 60 години при разумна поддръжка.
Силно хармонично съпротивление: Както бе споменато по-рано, трансформаторът приема специален структурен дизайн и избор на материали за потискане на хармоничното замърсяване, намаляване на нагряването на намотката и стареенето на изолацията, причинени от хармоници, и осигуряване на стабилна работа при висока хармонична среда[7].
Висока устойчивост на-късо съединение: В процеса на свързване към мрежата и работа BESS може да срещне внезапни повреди на късо{1}}верига. Трансформаторът трябва да има силна механична якост и електрическа стабилност, за да издържи на въздействието на тока на късо- съединение без деформация или повреда, гарантирайки безопасността на цялата система.
Гъвкаво регулиране на напрежението: В отговор на колебанията на напрежението на електрическата мрежа и промяната на напрежението на батерията по време на зареждане-разреждане, трансформаторът е снабден с гъвкав механизъм за регулиране на напрежението (като -натоварващ кран-чейнджър), за да регулира изходното напрежение в реално време, гарантирайки стабилността на предаването на енергия.
Адаптивност към околната среда: BESS се използва широко на открито, индустриални паркове и други сценарии. Трансформаторът трябва да има добра адаптивност към околната среда, като устойчивост на висока температура, устойчивост на влага, устойчивост на прах и т.н. Например, в зони с висока-температура и висока{3}}влажност като Dongguan, трансформаторите са оборудвани с интерфейси за принудително въздушно охлаждане и интелигентни системи за контрол на температурата, за да се намали покачването на температурата и да се подобри товароносимостта[7].
2.2 Основна класификация
Според метода на охлаждане, формата на инсталиране и сценария на приложение, BESS трансформирамогат да бъдат разделени на следните категории:
Сух-тип и маслени-трансформатори: Поради изискванията за противопожарна безопасност на проектите за съхранение на енергия от литиево-йонни батерии, сухите-тип трансформатори обикновено се използват в битови проекти, тъй като не съдържат масло-и имат по-добра безопасност. Маслените -трансформатори обаче имат предимства по отношение на цената, консумацията на енергия и адаптивността към околната среда и могат също да бъдат избрани, когато са изпълнени изискванията за противопожарна защита. Сухите-тип трансформатори са широко използвани в вътрешни станции за съхранение на енергия и промишлени и търговски проекти за съхранение на енергия, докато маслените-трансформатори са по-подходящи за широко{10}}мащабни проекти за съхранение на енергия-на открито.
Трансформатори, монтирани-и вътрешни трансформатори: Трансформаторите, монтирани-, са малки по размер, лесни за инсталиране и подходящи за проекти за разпределено съхранение на енергия (като индустриални и търговски паркове, жилищни райони) с ограничено пространство; Вътрешните трансформатори се използват главно в станции за съхранение на енергия на закрито, с по-добра защита и подходящи за тежки външни среди.
Изолационни трансформатори и стъпкови-нагоре/стъпкови-надолу трансформатори: Изолационните трансформатори се фокусират върху осигуряването на галванична изолация за защита на компонентите на системата, които се използват широко в сценарии с високи изисквания за безопасност; Постепенните-нагоре/постепенно{3}}надолу трансформатори са основното оборудване за преобразуване на напрежението, което се разделя на покачващи-трансформатори (за свързване към мрежата на системи за съхранение на енергия) и понижаващи-трансформатори (за зареждане на системи за съхранение на енергия) според посоката на преобразуване на напрежението.
3. Практики за прилагане на BESS Transformers
С бързото развитие на индустрията за съхранение на енергия, трансформаторите BESS са широко използвани в-комунални, промишлени и търговски-проекти, както и проекти за разпределено съхранение на енергия и са създали зрели приложни решения за различни сценарии. По-долу са комбинирани типични случаи, за да се разяснят техните характеристики на приложение.
3.1 Полезни-Мащабни проекти за съхранение на енергия
Проектите-мащабни за съхранение на енергия имат характеристиките на голям капацитет, висока мощност и директна мрежова връзка, които имат високи изисквания към ефективността, стабилността и степента на напрежение на трансформаторите. Обикновено високо-ефективни маслени{3}}потопяеми или сухи-тип-повишаващи трансформатори се използват за преобразуване на ниско-променливотоково напрежение от PCS в средно и високо напрежение (10kV–35kV или по-високо) и интегрирането му в преносната и разпределителната мрежа. Например в широко{10}}мащабни вятърни-слънчеви-допълнителни проекти за съхранение, трансформаторите трябва да се адаптират към периодичните и променливи характеристики на вятърната и слънчевата енергия, реализират бидирекционно управление на енергийния поток и гарантиране на стабилността на електрическата мрежа. В същото време те трябва да отговарят на съответните стандарти на IEC, IEEE или UL, за да осигурят дългосрочна-надеждна работа.
3.2 Промишлени и търговски проекти за съхранение на енергия
Проектите за промишлено и търговско съхранение на енергия се използват главно за намаляване на пиковете, запълване на котловини и аварийно захранване, с чести цикли на зареждане-разреждане и високи изисквания към скоростта на реакция и хармоничното съпротивление на трансформаторите. Проектът за съхранение на енергия Dongguan Machong 250KVA е типичен случай: проектът използва 250KVA специален трансформатор за съхранение на енергия с преобразуване на напрежението от 800V към 400V, който оптимизира дизайна на намотката, за да се адаптира към двупосочен енергиен поток, възприема специална екранираща технология за потискане на хармониците и реализира реакция на милисекундно-ниво на напрежение чрез дизайн с нисък-импеданс, перфектно отговарящи на нуждите от бърза настройка на системата за съхранение на енергия. В допълнение, трансформаторът е оборудван с интелигентна система за контрол на температурата, за да се адаптира към високата-температура и климата с висока-влажност в Dongguan, намалявайки повишаването на температурата с повече от 10K и осигурявайки максимална полза от съхранението на енергия.
3.3 Проекти за разпределено съхранение на енергия
Проектите за разпределено съхранение на енергия (като жилищни райони, малки индустриални паркове) имат малък капацитет, малко пространство и високи изисквания към миниатюризацията и гъвкавостта на трансформаторите. Обикновено се използват сухи-трансформатори, монтирани на подложки, или малки изолационни трансформатори, които имат характеристиките на малък размер, лесен монтаж и нисък шум. В същото време те трябва да се адаптират към колебанията на напрежението на разпределителната мрежа и честото зареждане-разреждане на малките системи за съхранение на енергия, гарантирайки безопасността и стабилността на местното електрозахранване. Например в битовите системи за съхранение на енергия се използват малки изолационни трансформатори за изолиране на акумулаторната система от домакинската електропреносна мрежа, предотвратявайки неизправностите да повлияят на безопасността на използването на електроенергия в домакинството.
3.4 Приложение за иновативна интеграционна архитектура
През последните години с развитието на технологията за интелигентни трансформатори се появи новаторска архитектура, която интегрира BESS в интелигентни трансформатори. Тази архитектура използва токов източник-тип четири-активен-мост (CF-QAB) DC-DC преобразувател като ядро и добавя порт на изолираното DC-DC ниво на интелигентния трансформатор, за да реализира директната интеграция на BESS без допълнителни преобразуватели. В сравнение с традиционната интеграционна схема, тази архитектура намалява броя на устройствата с около 20%, а ефективността на преобразувателя достига 98,12%, което е значително по-високо от традиционната схема. Експерименталната проверка показва, че когато напрежението на батерията се промени, напрежението от страна на ниското-напрежение може да се поддържа стабилно и общата мощност на предаване може да се регулира динамично без колебания, осигурявайки нов технически път за ефективна интеграция на BESS и трансформатори.
4. Основни критерии за избор и технически изисквания за BESS трансформатори
Изборът на BESS трансформатори пряко влияе върху ефективността, безопасността и икономическите ползи от цялата система за съхранение на енергия. Необходимо е цялостно да се разгледат фактори като капацитет на системата, степен на напрежение, работни условия и изисквания за безопасност и да се следват следните ключови критерии за избор и технически изисквания.
4.1 Съпоставяне на капацитета
Номиналният капацитет на трансформатора трябва да съответства на номиналната мощност на PCS, като в същото време трябва да се вземат предвид изискванията за загуба на спомагателна мощност и претоварване. Обикновено тя не трябва да бъде по-малка от 1,05 пъти номиналната мощност на свързания PCS, за да се осигури дългосрочна-безопасна работа на трансформатора. Трябва да се отбележи, че сляпото намаляване на капацитета на трансформатора за намаляване на разходите ще доведе до недостатъчен марж на работа и ще повлияе на стабилността на системата. Например, в някои централизирани проекти за съхранение на енергия, изборът на трансформатор с недостатъчен капацитет ще доведе до прегряване и стареене на трансформатора по време на дългосрочна-работа, намалявайки експлоатационния му живот.
4.2 Ниво на енергийна ефективност
Нивото на енергийна ефективност на трансформатора пряко влияе върху енергийните загуби и експлоатационните разходи на системата за съхранение на енергия. Националният стандарт "Граница на енергийна ефективност и ниво на енергийна ефективност на силови трансформатори" разделя енергийната ефективност на три нива, сред които ниво 1 е с най-висока енергийна ефективност. При избора е необходимо да се сравнят цялостно икономичността и ефективността и да се изберат трансформатори, които отговарят на съответните стандарти за енергийна ефективност. За големи-проекти за съхранение на енергия с дълго време на работа, изборът на трансформатори за енергийна ефективност от ниво 1 може да спести много разходи за електроенергия през целия жизнен цикъл.
4.3 Избор на метод на охлаждане
Изборът на метод за охлаждане трябва да се основава на сценария на приложение и изискванията за безопасност. При вътрешни станции за съхранение на енергия и проекти за съхранение на енергия от литиево-йонни батерии трябва да се предпочитат сухи-тип трансформатори поради тяхната добра безопасност и липса на риск от пожар и експлозия. При открити широкомащабни-проекти за съхранение на енергия могат да бъдат избрани маслени-трансформатори, когато са изпълнени изискванията за противопожарна защита, като се възползват от ниската си консумация на енергия и ниската цена. В същото време съответните мерки за охлаждане (като принудително въздушно охлаждане, принудително охлаждане с масло) трябва да бъдат конфигурирани според работната среда, за да се гарантира, че трансформаторът работи в рамките на допустимия температурен диапазон.
4.4 Съвпадение на ключови параметри
В допълнение към капацитета и енергийната ефективност, изборът на трансформатори също трябва да вземе предвид съвпадението на ключови параметри, като номинално напрежение, импеданс на късо{0}} съединение, обхват на отклоняване и група на свързване. Например, номиналното напрежение от страната на ниското-напрежение на трансформатора трябва да съвпада с номиналното напрежение от страната на AC на PCS, а номиналното напрежение от страната на високото-напрежение трябва да съвпада с напрежението от страната на ниското-напрежение на главния трансформатор; групата за свързване обикновено приема режим на свързване Dy11, за да се адаптира към двупосочния енергиен поток и изискванията за потискане на хармониците на BESS.
4.5 Безопасност и надеждност
Трансформаторът трябва да има надеждни изолационни характеристики, издръжливост на късо{0}} съединение и функция за защита от пренапрежение, за да се адаптира към суровата работна среда на BESS. Например, нивото на изолация трябва да отговаря на изискванията за работно напрежение, а намотката трябва да бъде обработена с изолация, за да се предотврати стареенето и повредата на изолацията; трансформаторът трябва да бъде оборудван с контрол на температурата, защита от свръхток и други устройства за своевременно откриване и справяне с неизправностите, гарантиращи безопасността на системата.
5. Бъдещи тенденции на развитие
С непрекъснатото разширяване на мащаба на BESS и непрекъснатото подобряване на техническите изисквания, трансформаторите за BESS са изправени пред нови предизвикателства, като същевременно показват ясна тенденция на развитие към висока ефективност, интелигентност, интеграция и миниатюризация.
5.2 Бъдещи тенденции на развитие
Висока ефективност и ниски загуби: С непрекъснатото подобряване на стандартите за енергийна ефективност изследванията и разработката на високо-ефективни трансформатори ще станат фокус. Чрез приемане на нови материали за сърцевината (като аморфна сплав), оптимизиране на структурата на намотките и подобряване на производствените процеси, загубата на празен ход и загубата на натоварване на трансформаторите ще бъдат допълнително намалени и цялостната ефективност на BESS ще бъде подобрена.
Интелигентно надграждане: Трансформаторите на BESS ще бъдат интегрирани с интелигентни технологии като Интернет на нещата (IoT), големи данни и изкуствен интелект. Чрез-мониторинг в реално време на работните параметри на трансформатора (температура, ток, напрежение и т.н.) ще бъдат реализирани предсказуема поддръжка и диагностика на неизправности, намалявайки разходите за поддръжка и подобрявайки надеждността на системата. В същото време ще реализира интелигентно взаимодействие с PCS и интелигентни мрежи, подобрявайки гъвкавостта и управляемостта на системите за съхранение на енергия.
Интегриране и миниатюризация: Интегрирането на трансформатори и PCS ще се превърне в нова тенденция, намалявайки обема и теглото на системата, опростявайки процеса на инсталиране и намалявайки цената на цялата система за съхранение на енергия. Например иновативната интегрирана архитектура на интелигентни трансформатори и BESS може да намали броя на устройствата и да подобри ефективността на интеграцията. В същото време дизайнът на миниатюризация ще направи трансформаторите по-подходящи за сценарии за разпределено съхранение на енергия с ограничено пространство.
Персонализиране и диверсификация: С диверсификацията на сценариите за приложение на BESS (от страна на-комунални услуги, индустриална и търговска-страна, разпределени), търсенето на персонализирани трансформатори ще се увеличи. Трансформаторите ще бъдат проектирани според специфичните нужди на различни проекти, като степен на напрежение, капацитет, работна среда и изисквания за безопасност, за да се подобри адаптивността и икономичността на системата.
Екологични и ниско-въглеродни: В контекста на стратегията за „двойни въглеродни емисии“, екологичната и ниско{1}}въглеродна трансформация на трансформаторите ще бъде ускорена. Използването на екологично чисти материали (като не-токсични и разградими изолационни материали) и оптимизирането на-енергоспестяващия дизайн ще намалят въздействието на трансформаторите върху околната среда, реализирайки зеленото развитие на цялата индустрия за съхранение на енергия.
6. Заключение
Като основен интерфейсен компонент на системите за съхранение на енергия от батерии, трансформаторите поемат ключовите задачи за преобразуване на напрежението, двупосочно управление на потока на енергия, защита на безопасността и оптимизиране на ефективността, които са от решаващо значение за стабилната, ефективна и безопасна работа на BESS. С бързото развитие на индустрията за съхранение на енергия, техническите изисквания за трансформаторите BESS непрекъснато се подобряват и трансформаторите се развиват към висока ефективност, интелигентност, интеграция и миниатюризация.
В бъдеще, с непрекъснатия пробив на нови материали, нови технологии и нови архитектури, трансформаторите BESS ще се адаптират по-добре към нуждите от разработка на широко{0}}мащабни, интелигентни и зелени системи за съхранение на енергия, ще осигурят по-силна подкрепа за интегрирането на възобновяема енергия и изграждането на интелигентни мрежи и ще имат важен принос за глобалната енергийна трансформация и реализацията на целта за „двоен въглерод“. За проектантите, операторите и производителите на оборудване за съхранение на енергия е необходимо да се обърне пълно внимание на избора и приложението на трансформатори и да се насърчи здравословното и устойчиво развитие на индустрията за съхранение на енергия чрез научен дизайн, рационален подбор и интелигентна работа.