S hitrim napredkom integracije obnovljivih virov energije in poglabljanjem globalne strategije "dvojnega ogljika" so sistemi za shranjevanje energije iz baterij (BESS) postali osrednja podpora za sodobne energetske sisteme, ki opravljajo kritične naloge, kot so zmanjšanje konic, polnjenje v nižinah, regulacija frekvence in kompenzacija nihanj obnovljive energije. V središču verige za pretvorbo in prenos energije BESS leži ključni sestavni del-transformator. Za razliko od tradicionalnih močnostnih transformatorjev so transformatorji za BESS zasnovani tako, da se prilagajajo dvosmernemu pretoku energije, pogostim ciklom polnjenja-praznjenja in značilnostim visokih harmonskih motenj sistemov za shranjevanje energije, ki služijo kot "most" med baterijskimi moduli, sistemi za pretvorbo energije (PCS) in električnim omrežjem. Ta članek sistematično obravnava vlogo, tehnične značilnosti, prakse uporabe, ključna izbirna merila in prihodnje razvojne trende transformatorjev v BESS ter zagotavlja celovito referenco za načrtovanje, delovanje in optimizacijo projektov za shranjevanje energije.
1. Osnovna vloga transformatorjev v baterijskih sistemih za shranjevanje energije
Sistemi za shranjevanje baterijske energije delujejo na podlagi ciklične pretvorbe električne energije: med fazo polnjenja omrežje ali obnovljivi viri energije dovajajo energijo za polnjenje baterijskih modulov (pretvorjenih iz AC v DC s PCS); med fazo praznjenja se enosmerna energija, shranjena v baterijah, s PCS pretvori nazaj v izmenični tok in se napaja v omrežje ali dovaja bremenu. Transformatorji kot osrednja vmesniška oprema v tem procesu opravljajo pet nepogrešljivih osrednjih funkcij, ki neposredno določajo učinkovitost, stabilnost in varnost celotnega BESS.
1.1 Pretvorba in ujemanje napetosti
Baterijski moduli v BESS običajno oddajajo nizko-napetostno enosmerno energijo, ki jo PCS po inverziji pretvori v nizko{1}}napetost AC (običajno 480–690 V). Vendar pa električno omrežje na splošno deluje na srednjih ali visokih napetostnih ravneh (kot je 10 kV, 35 kV ali več) za učinkovit prenos na dolge-razdalje. Transformator realizira stopenjsko-zvišanje nizko-napetosti izmeničnega toka na-napetost omrežja med praznjenjem in stopenjsko{12}}nižanje omrežne napetosti na PCS-prilagodljivo nizko napetost med polnjenjem, kar zagotavlja brezhibno ujemanje med sistemom za shranjevanje energije in stopnjo napetosti omrežja[6]. Na primer, v projektu shranjevanja energije Dongguan 250 KVA transformator izvede pretvorbo napetosti iz 800 V v 400 V, s čimer izpolnjuje zahtevo po integraciji sistema za shranjevanje energije v tovarniško nizko{19}}napetostno distribucijsko omrežje.
1.2 Dvosmerno upravljanje pretoka moči
Za razliko od tradicionalnih transformatorjev, ki upravljajo samo z enosmernim pretokom moči, se morajo transformatorji BESS med polnjenjem in praznjenjem prilagajati dvosmernim značilnostim pretoka energije. Z optimizirano zasnovo navitij in konfiguracijo magnetnega vezja zagotavljajo visoko učinkovitost in nizke izgube v obeh delovnih načinih, s čimer se izognejo izgubi energije zaradi ozkih grl v enosmerni konstrukciji. Ta dvosmerna prilagodljivost je ključna razlika med BESS transformatorji in običajnimi močnostnimi transformatorji, poleg tega pa je pomembno zagotovilo za fleksibilno delovanje sistemov za shranjevanje energije.
1.3 Galvanska ločitev in varnostna zaščita
BESS vključuje visoko{0}}pretvorbo električne energije in tveganje napak, kot so prenapetost, kratek stik in harmonične motnje, je relativno veliko. Transformatorji zagotavljajo učinkovito galvansko izolacijo med baterijskim sistemom, PCS in omrežjem, s čimer preprečujejo širjenje napak na eni strani na drugo in ščitijo varnost osrednjih komponent, kot so baterijski moduli in PCS. Na primer, pri projektih shranjevanja energije litij-ionske baterije se lahko z izolacijsko zaščito učinkovito izogne nevarnosti požara in eksplozije, ki jo povzročijo napake na strani-omrežja, ki vplivajo na baterijski grozd, in tako izboljša splošno varnost sistema.
1.4 Zmanjšanje harmonije in izboljšanje stabilnosti
PCS v BESS bo med delovanjem ustvaril veliko število-harmonikov visokega reda, ki ne bodo samo onesnaževali električnega omrežja, temveč bodo povzročili tudi pregrevanje, staranje in zmanjšanje učinkovitosti navitij transformatorja. Transformatorji BESS uporabljajo posebne metode povezovanja navitij (kot je povezava v trikotniku) in tehnologijo zaščite za učinkovito zatiranje značilnih harmonikov, kot sta 3. in 5. harmonik, zmanjšanje vpliva harmoničnih motenj na sistem in zagotavljanje stabilnega delovanja sistema za shranjevanje energije in električnega omrežja.
1.5 Optimizacija učinkovitosti in zmanjšanje izgub energije
Transformatorji so ena glavnih-sestavnih delov BESS, ki porabljajo energijo, njihova izguba energije (vključno z izgubo brez{1}}obremenitve in izgubo obremenitve) neposredno vpliva na celovito učinkovitost sistema za shranjevanje energije. Transformatorji BESS z visoko-učinkovitostjo lahko zmanjšajo izgubo energije z optimizirano izbiro materiala jedra, izboljšanjem postopka navijanja in zasnovo z nizko-impedanco, s čimer se izboljšajo gospodarske koristi projektov za shranjevanje energije. Ocenjuje se, da lahko za 35 kV 3150 kVA suhi-transformator letni prihranek energije transformatorja energetske učinkovitosti razreda 1 doseže približno 14.000 kWh v primerjavi s transformatorjem energetske učinkovitosti razreda 3.
2. Tehnične značilnosti in klasifikacija transformatorjev BESS
V primerjavi s tradicionalnimi energetskimi transformatorji se transformatorji BESS soočajo s težjimi pogoji delovanja: pogoste spremembe obremenitve, dvosmerni pretok moči, visoka vsebnost harmonikov in stroge varnostne zahteve. Zato imajo edinstvene tehnične lastnosti in so razvrščeni v različne vrste glede na scenarije uporabe in standarde oblikovanja.
2.1 Osnovne tehnične značilnosti
Visoka ciklična prilagodljivost: BESS mora vsak dan opraviti več ciklov polnjenja-praznjenja, transformator pa mora vzdržati pogoste mutacije obremenitve in tokovna nihanja brez poslabšanja zmogljivosti. Z izbiro visoko-kakovostnih silikonskih jeklenih plošč in optimizirane strukture navitja se lahko prilagodi dolgoročnemu-viso-cikličnemu delovanju z življenjsko dobo do 60 let ob razumnem vzdrževanju.
Močan harmonični upor: Kot smo že omenili, ima transformator posebno strukturno zasnovo in izbiro materiala za zatiranje harmoničnega onesnaževanja, zmanjšanje segrevanja navitja in staranja izolacije, ki ga povzročajo harmoniki, ter zagotavlja stabilno delovanje v okolju z visokimi harmoniki [7].
Visoka odpornost na-kratek stik: V procesu priključitve na omrežje in delovanja lahko BESS naleti na nenadne-napake kratkega stika. Transformator mora imeti visoko mehansko trdnost in električno stabilnost, da brez deformacij ali poškodb prenese udarec toka kratkega-stika, kar zagotavlja varnost celotnega sistema.
Prilagodljiva regulacija napetosti: kot odziv na nihanje napetosti v električnem omrežju in spremembo napetosti akumulatorja med polnjenjem-praznjenjem je transformator opremljen s prilagodljivim mehanizmom za regulacijo napetosti (kot je na-preklopnik-obremenitve) za prilagoditev izhodne napetosti v realnem času, kar zagotavlja stabilnost prenosa energije.
Okoljska prilagodljivost: BESS se pogosto uporablja na prostem, v industrijskih parkih in drugih scenarijih. Transformator mora imeti dobro okoljsko prilagodljivost, kot je odpornost na visoke temperature, odpornost na vlago, odpornost na prah itd. Na primer, na območjih z visoko-temperaturo in visoko{3}}vlažnostjo, kot je Dongguan, so transformatorji opremljeni z vmesniki za prisilno zračno hlajenje in inteligentnimi sistemi za nadzor temperature za zmanjšanje dviga temperature in izboljšanje nosilnosti[7].
2.2 Glavna klasifikacija
Glede na način hlajenja, obliko namestitve in scenarij uporabe BESS transformiralahko razdelimo v naslednje kategorije:
Suhi-in oljni-transformatorji: zaradi zahtev glede požarne varnosti projektov za shranjevanje energije litij-ionskih baterij se suhi-transformatorji običajno uporabljajo v domačih projektih, ker so brez olja-in imajo večjo varnost. Vendar pa imajo oljni{6}}transformatorji prednosti glede stroškov, porabe energije in okoljske prilagodljivosti ter jih je mogoče izbrati tudi, ko so izpolnjene zahteve protipožarne zaščite. Suhi-transformatorji se pogosto uporabljajo v notranjih postajah za shranjevanje energije ter industrijskih in komercialnih projektih shranjevanja energije, medtem ko so oljni-potopljeni transformatorji primernejši za velike-projekte shranjevanja energije-na zunanji strani-shranjevanja energije.
Transformatorji, nameščeni-in notranji transformatorji: transformatorji, nameščeni-, so majhni, enostavni za namestitev in primerni za projekte porazdeljenega shranjevanja energije (kot so industrijski in komercialni parki, stanovanjska območja) z omejenim prostorom; Notranji transformatorji se večinoma uporabljajo v notranjih postajah za shranjevanje energije, z boljšo zaščito in so primerni za težka zunanja okolja.
Izolacijski transformatorji in transformatorji stop-navzgor/stop- navzdol: izolacijski transformatorji se osredotočajo na zagotavljanje galvanske izolacije za zaščito sistemskih komponent, ki se pogosto uporabljajo v scenarijih z visokimi varnostnimi zahtevami; Stop-navzgor/-nizji transformatorji so osnovna oprema za pretvorbo napetosti, ki se glede na smer pretvorbe napetosti deli na-navzgornje transformatorje (za priključitev sistemov za shranjevanje energije v omrežje) in -nižje transformatorje (za polnjenje sistemov za shranjevanje energije).
3. Prakse uporabe transformatorjev BESS
S hitrim razvojem industrije shranjevanja energije so bili transformatorji BESS pogosto uporabljeni na strani-utility, industrijski in komercialni-strani ter projektih porazdeljenega shranjevanja energije in so oblikovali zrele aplikacijske rešitve za različne scenarije. Naslednje združuje tipične primere, da podrobneje pojasni njihove značilnosti uporabe.
3.1 Komunalni-projekti shranjevanja energije
Projekti-shranjevanja energije v komunalnem obsegu imajo značilnosti velike zmogljivosti, visoke moči in neposredne povezave z omrežjem, ki imajo visoke zahteve glede učinkovitosti, stabilnosti in napetostnega razreda transformatorjev. Na splošno se za pretvorbo nizko-izhodne napetosti izmeničnega toka PCS v srednjo in visoko napetost (10 kV–35 kV ali več) in njeno integracijo v prenosno in distribucijsko omrežje uporabljajo visoko{2}}potopljeni ali suhi-stopenjski-transformatorji z visokim izkoristkom. Na primer, v velikih-vetrnih-sončnih-dopolnilnih projektih shranjevanja se morajo transformatorji prilagoditi občasnim in nihajočim značilnostim vetrne in sončne energije, uresničiti bidirekcionalno upravljanje pretoka energije in zagotavljanje stabilnosti električnega omrežja. Hkrati morajo izpolnjevati ustrezne standarde IEC, IEEE ali UL, da zagotovijo dolgoročno-zanesljivo delovanje.
3.2 Projekti industrijskega in komercialnega shranjevanja energije
Projekti industrijskega in komercialnega shranjevanja energije se v glavnem uporabljajo za zmanjšanje konic, polnjenje doline in zasilno napajanje s pogostimi cikli polnjenja-praznjenja in visokimi zahtevami glede odzivne hitrosti in harmoničnega upora transformatorjev. Projekt shranjevanja energije Dongguan Machong 250 KVA je tipičen primer: projekt uporablja 250 KVA poseben transformator za shranjevanje energije s pretvorbo napetosti 800 V v 400 V, ki optimizira zasnovo navitja za prilagajanje dvosmernemu pretoku energije, sprejme posebno tehnologijo zaščite za zatiranje harmonikov in realizira milisekundni-napetostni odziv z nizko-impedanco, popolnoma ujemanje s potrebami po hitrem prilagajanju sistema za shranjevanje energije. Poleg tega je transformator opremljen z inteligentnim sistemom za nadzor temperature za prilagajanje visoki-temperaturi in-zračni klimi v Dongguanu, kar zmanjša dvig temperature za več kot 10 K in zagotovi največjo korist pri shranjevanju energije.
3.3 Projekti porazdeljenega shranjevanja energije
Projekti porazdeljenega shranjevanja energije (kot so stanovanjska območja, majhni industrijski parki) imajo majhno zmogljivost, zasedenost majhnega prostora in visoke zahteve glede miniaturizacije in prilagodljivosti transformatorjev. Na splošno se uporabljajo suhi-transformatorji ali majhni izolacijski transformatorji, ki so nameščeni na plošči, katerih značilnosti so majhna velikost, enostavna namestitev in nizek hrup. Hkrati se morajo prilagoditi nihanju napetosti distribucijskega omrežja in pogostemu polnjenju-praznjenju malih sistemov za shranjevanje energije, kar zagotavlja varnost in stabilnost lokalne oskrbe z električno energijo. Na primer, v sistemih za shranjevanje energije v gospodinjstvih se majhni izolacijski transformatorji uporabljajo za izolacijo akumulatorskega sistema od gospodinjskega električnega omrežja, kar preprečuje, da bi napake vplivale na varnost uporabe električne energije v gospodinjstvu.
3.4 Inovativna aplikacija za integracijsko arhitekturo
V zadnjih letih se je z razvojem tehnologije pametnih transformatorjev pojavila inovativna arhitektura, ki integrira BESS v pametne transformatorje. Ta arhitektura kot jedro uporablja pretvornik enosmernega toka -tipa štiri-aktivni-most (CF-QAB)-DC in dodaja vrata na izoliranem nivoju DC-DC pametnega transformatorja za realizacijo neposredne integracije BESS brez dodatnih pretvornikov. V primerjavi s tradicionalno integracijsko shemo ta arhitektura zmanjša število naprav za približno 20%, izkoristek pretvornika pa doseže 98,12%, kar je bistveno višje od tradicionalne sheme. Eksperimentalno preverjanje kaže, da se lahko ob spremembi napetosti akumulatorja napetost na strani nizke-napetosti stabilno vzdržuje, skupna prenosna moč pa se lahko dinamično prilagaja brez nihanj, kar zagotavlja novo tehnično pot za učinkovito integracijo BESS in transformatorjev.
4. Ključna izbirna merila in tehnične zahteve za transformatorje BESS
Izbira transformatorjev BESS neposredno vpliva na učinkovitost, varnost in ekonomske koristi celotnega sistema za shranjevanje energije. Treba je celovito upoštevati dejavnike, kot so zmogljivost sistema, napetostni razred, pogoji delovanja in varnostne zahteve, ter upoštevati naslednja ključna izbirna merila in tehnične zahteve.
4.1 Ujemanje zmogljivosti
Nazivno zmogljivost transformatorja je treba uskladiti z nazivno močjo PCS, hkrati pa je treba upoštevati zahteve glede izgube pomožne moči in preobremenitve. Na splošno ne sme biti manjša od 1,05-kratne nazivne moči priključenega PCS, da se zagotovi dolgoročno-varno delovanje transformatorja. Treba je opozoriti, da bo slepo zmanjšanje zmogljivosti transformatorja za zmanjšanje stroškov povzročilo nezadostno rezervo delovanja in vplivalo na stabilnost sistema. Na primer, pri nekaterih projektih centraliziranega shranjevanja energije bo izbira transformatorja z nezadostno zmogljivostjo povzročila pregrevanje in staranje transformatorja med dolgotrajnim-delovanjem, kar bo zmanjšalo njegovo življenjsko dobo.
4.2 Raven energetske učinkovitosti
Raven energetske učinkovitosti transformatorja neposredno vpliva na izgubo energije in obratovalne stroške sistema za shranjevanje energije. Nacionalni standard »Meja energetske učinkovitosti in stopnja energetske učinkovitosti energetskih transformatorjev« deli energetsko učinkovitost na tri stopnje, med katerimi ima 1. stopnja najvišjo energetsko učinkovitost. Pri izbiri je treba celovito primerjati gospodarnost in učinkovitost ter izbrati transformatorje, ki ustrezajo ustreznim standardom energetske učinkovitosti. Za velike-projekte shranjevanja energije z dolgim časom delovanja lahko izbira transformatorjev energetske učinkovitosti 1. stopnje prihrani veliko stroškov električne energije v celotnem življenjskem ciklu.
4.3 Izbira načina hlajenja
Izbira metode hlajenja mora temeljiti na scenariju uporabe in varnostnih zahtevah. V notranjih postajah za shranjevanje energije in projektih shranjevanja energije z liti-ionskimi baterijami je treba dati prednost suhim-transformatorjem zaradi njihove dobre varnosti in odsotnosti nevarnosti požara in eksplozije. Pri zunanjih velikih-projektih shranjevanja energije je mogoče izbrati oljne-transformatorje, ko so izpolnjene zahteve protipožarne zaščite, pri čemer se izkoristi njihova nizka poraba energije in nizki stroški. Hkrati je treba ustrezne hladilne ukrepe (kot je prisilno zračno hlajenje, prisilno hlajenje z oljem) konfigurirati glede na delovno okolje, da se zagotovi, da transformator deluje v dovoljenem temperaturnem območju.
4.4 Ujemanje ključnih parametrov
Poleg zmogljivosti in energetske učinkovitosti je treba pri izbiri transformatorjev upoštevati tudi ujemanje ključnih parametrov, kot so nazivna napetost, impedanca kratkega-tokokroga, območje odcepa in priključna skupina. Na primer, nazivna napetost na nizko{2}}napetostni strani transformatorja se mora ujemati z nazivno napetostjo na AC strani PCS, nazivna napetost na visoko-napetostni strani pa se mora ujemati z napetostjo na nizko{4}}napetostni strani glavnega transformatorja; povezovalna skupina običajno sprejme način povezave Dy11, da se prilagodi dvosmernemu pretoku energije in zahtevam za zatiranje harmonikov BESS.
4.5 Varnost in zanesljivost
Transformator mora imeti zanesljivo izolacijo, vzdržljivost kratkega{0}}stika in funkcijo zaščite pred prenapetostjo, da se prilagodi težkemu delovnemu okolju BESS. Na primer, raven izolacije mora ustrezati zahtevam delovne napetosti, navitje pa je treba obdelati z izolacijo, da se prepreči staranje in razčlenitev izolacije; transformator mora biti opremljen s temperaturnim nadzorom, nadtokovno zaščito in drugimi napravami za pravočasno odkrivanje in odpravljanje napak, kar zagotavlja varnost sistema.
5. Prihodnji razvojni trendi
Z nenehnim širjenjem obsega BESS in nenehnim izboljševanjem tehničnih zahtev se transformatorji za BESS soočajo z novimi izzivi, hkrati pa kažejo jasen razvojni trend k visoki učinkovitosti, inteligenci, integraciji in miniaturizaciji.
5.2 Prihodnji razvojni trendi
Visoka učinkovitost in nizke izgube: z nenehnim izboljševanjem standardov energetske učinkovitosti bodo raziskave in razvoj visoko{0}}učinkovitih transformatorjev postali središče. S sprejetjem novih materialov za jedro (kot je amorfna zlitina), optimizacijo strukture navitja in izboljšanjem proizvodnih procesov se bodo izgube brez{2}}obremenitve in izgube transformatorjev dodatno zmanjšale, celovita učinkovitost BESS pa bo izboljšana.
Inteligentna nadgradnja: transformatorji BESS bodo integrirani z inteligentnimi tehnologijami, kot so internet stvari (IoT), veliki podatki in umetna inteligenca. Z-spremljanjem obratovalnih parametrov transformatorja v realnem času (temperatura, tok, napetost itd.) se bo izvajalo predvideno vzdrževanje in diagnosticiranje napak, kar bo zmanjšalo stroške vzdrževanja in izboljšalo zanesljivost sistema. Hkrati bo realiziral inteligentno interakcijo s PCS in pametnimi omrežji, s čimer bo izboljšal prožnost in nadzor nad sistemi za shranjevanje energije.
Integracija in miniaturizacija: integracija transformatorjev in PCS bo postala nov trend, zmanjšala bo prostornino in težo sistema, poenostavila postopek namestitve in zmanjšala stroške celotnega sistema za shranjevanje energije. Na primer, inovativna integrirana arhitektura pametnih transformatorjev in BESS lahko zmanjša število naprav in izboljša učinkovitost integracije. Obenem bodo zaradi miniaturizacije transformatorji bolj primerni za scenarije porazdeljenega shranjevanja energije z omejenim prostorom.
Prilagajanje in diverzifikacija: Z diverzifikacijo scenarijev uporabe BESS (stran-utility, industrijska in komercialna-stran, distribuirana) se bo povečalo povpraševanje po prilagojenih transformatorjih. Transformatorji bodo zasnovani v skladu s posebnimi potrebami različnih projektov, kot so napetostni razred, zmogljivost, delovno okolje in varnostne zahteve, da bi izboljšali prilagodljivost in ekonomičnost sistema.
Zelena in nizkoogljična-ogljična: V okviru strategije »dvojnega ogljika« bo zelena in nizko{1}}ogljična preobrazba transformatorjev pospešena. Uporaba okolju prijaznih materialov (kot so ne-strupeni in razgradljivi izolacijski materiali) in optimizacija zasnove, ki -varčuje z energijo, bosta zmanjšala vpliv transformatorjev na okolje in uresničila zeleni razvoj celotne industrije shranjevanja energije.
6. Zaključek
Kot osrednja vmesniška komponenta sistemov za shranjevanje energije v baterijah transformatorji opravljajo ključne naloge pretvorbe napetosti, dvosmernega upravljanja pretoka moči, varnostne zaščite in optimizacije učinkovitosti, ki so ključne za stabilno, učinkovito in varno delovanje BESS. S hitrim razvojem industrije shranjevanja energije se tehnične zahteve za transformatorje BESS nenehno izboljšujejo, transformatorji pa se razvijajo v smeri visoke učinkovitosti, inteligence, integracije in miniaturizacije.
V prihodnosti se bodo z nenehnim prebojem novih materialov, novih tehnologij in novih arhitektur transformatorji BESS bolje prilagajali razvojnim potrebam velikih-inteligentnih in zelenih sistemov za shranjevanje energije, zagotavljali močnejšo podporo za integracijo obnovljive energije in gradnjo pametnih omrežij ter pomembno prispevali k globalni energetski preobrazbi in uresničevanju cilja »dvojnega ogljika«. Za načrtovalce projektov za shranjevanje energije, operaterje in proizvajalce opreme je treba vso pozornost posvetiti izbiri in uporabi transformatorjev ter spodbujati zdrav in trajnostni razvoj industrije za shranjevanje energije z znanstvenim načrtovanjem, racionalno izbiro in inteligentnim delovanjem.
