Са брзим напретком интеграције обновљиве енергије и продубљивањем глобалне стратегије „дуал царбон“, системи за складиштење енергије батерија (БЕСС) постали су основна подршка савременим енергетским системима, преузимајући критичне задатке као што су уклањање пикова, пуњење долине, регулација фреквенције и компензација флуктуације обновљиве енергије. У срцу ланца конверзије и преноса енергије БЕСС-а лежи кључна компонента-трансформатор. За разлику од традиционалних енергетских трансформатора, трансформатори за БЕСС су дизајнирани да се прилагоде двосмерном протоку енергије, честим циклусима пуњења{3}}пражњења и високим хармонијским интерференцијалним карактеристикама система за складиштење енергије, служећи као „мост“ између батеријских модула, система за конверзију енергије (ПЦС) и електричне мреже. Овај чланак систематски елаборира улогу, техничке карактеристике, праксе примене, кључне критеријуме избора и будуће трендове развоја трансформатора у БЕСС-у, пружајући свеобухватну референцу за пројектовање, рад и оптимизацију пројеката складиштења енергије.
1. Основна улога трансформатора у системима за складиштење енергије батерија
Батеријски системи за складиштење енергије функционишу на основу цикличног претварања електричне енергије: током фазе пуњења, мрежа или обновљиви извори енергије снабдевају напајање за пуњење батеријских модула (конвертовано из наизменичне у једносмерну од стране ПЦС-а); током фазе пражњења, једносмерна енергија ускладиштена у батеријама се конвертује назад у наизменичну струју помоћу ПЦС-а и доводи у мрежу или се доводи до оптерећења. Трансформатори, као основна опрема интерфејса, преузимају пет неопходних основних функција у овом процесу, директно одређујући ефикасност, стабилност и безбедност целокупног БЕСС-а.
1.1 Трансформација напона и усклађивање
Батеријски модули у БЕСС-у обично емитују ниско{0}}напонску једносмерну енергију, коју ПЦС после инверзије конвертује у ниско-наизменичну струју (обично 480В–690В). Међутим, електрична мрежа углавном ради на средњим или високим напонским нивоима (као што су 10кВ, 35кВ или више) за ефикасан-пренос на велике удаљености. Трансформатор остварује корак-подизање-наизменичног напона ниског напона у мрежу-напона током пражњења и корак-спуштање напона мреже до ПЦС-прилагодљивог ниског напона током пуњења, обезбеђујући беспрекорно поклапање између система за складиштење енергије и напона мреже[6]. На пример, у пројекту складиштења енергије Донггуан 250КВА, трансформатор остварује конверзију напона са 800В на 400В, задовољавајући захтеве интеграције система за складиштење енергије у фабричку нисконапонску{19}}дистрибутивну мрежу.
1.2 Управљање двосмерним протоком снаге
За разлику од традиционалних трансформатора који рукују само једносмерним протоком снаге, БЕСС трансформатори се морају прилагодити карактеристикама двосмерног тока енергије током пуњења и пражњења. Кроз оптимизован дизајн намотаја и конфигурацију магнетног кола, они обезбеђују високу ефикасност и мале губитке у оба режима рада, избегавајући губитак енергије узрокован уским грлима у једносмерном дизајну. Ова двосмерна прилагодљивост је кључна разлика између БЕСС трансформатора и конвенционалних енергетских трансформатора, а такође је и важна гаранција за флексибилан рад система за складиштење енергије.
1.3 Галванска изолација и сигурносна заштита
БЕСС укључује-конверзије електричне енергије велике снаге, а ризик од кварова као што су пренапон, кратки спој и хармонијске сметње је релативно висок. Трансформатори обезбеђују ефикасну галванску изолацију између система батерија, ПЦС-а и мреже, спречавајући да се кварови са једне стране прошире на другу и штитећи безбедност основних компоненти као што су батеријски модули и ПЦС. На пример, у пројектима за складиштење енергије литијум{3}}јонских батерија, изолациона заштита може ефикасно да избегне ризик од пожара и експлозије узрокованих кваровима на{4}}страни мреже који утичу на кластер батерија, побољшавајући укупну безбедност система.
1.4 Хармонично ублажавање и побољшање стабилности
ПЦС у БЕСС-у ће током рада генерисати велики број хармоника високог{0}}реда, који не само да ће загађивати електричну мрежу већ и узроковати прегревање, старење и смањење ефикасности намотаја трансформатора. БЕСС трансформатори усвајају посебне методе повезивања намотаја (као што је делта веза) и технологију заштите за ефикасно потискивање карактеристичних хармоника као што су 3. и 5. хармоници, смањују утицај хармонских сметњи на систем и осигуравају стабилан рад система за складиштење енергије и електричне мреже.
1.5 Оптимизација ефикасности и смањење губитка енергије
Трансформатори су једна од главних компоненти{0}}која троше енергију у БЕСС-у и њихов губитак енергије (укључујући губитак без-оптерећења и губитак оптерећења) директно утиче на свеобухватну ефикасност система за складиштење енергије. Високо{3}}ефикасни БЕСС трансформатори могу да смање губитак енергије кроз оптимизован избор материјала језгра, побољшање процеса намотаја и дизајн ниске-импедансе, чиме се побољшавају економске предности пројеката складиштења енергије. Процењује се да за 35кВ 3150кВА трансформатор сувог-типа, годишња уштеда енергије трансформатора енергетске ефикасности класе 1 може достићи око 14.000 кВх у поређењу са трансформатором енергетске ефикасности класе 3.
2. Техничке карактеристике и класификација БЕСС трансформатора
У поређењу са традиционалним енергетским трансформаторима, БЕСС трансформатори се суочавају са тежим радним условима: честе промене оптерећења, двосмерни ток снаге, висок садржај хармоника и строги безбедносни захтеви. Због тога имају јединствене техничке карактеристике и класификовани су у различите типове према сценаријима примене и стандардима дизајна.
2.1 Основне техничке карактеристике
Висока прилагодљивост циклуса: БЕСС треба да заврши више циклуса пуњења{0}}пражњења сваког дана, а трансформатор мора да издржи честе мутације оптерећења и струјне флуктуације без деградације перформанси. Кроз избор високо-квалитетних челичних лимова од силикона и оптимизоване структуре намотаја, може да се прилагоди дуготрајном-високом-цикличном раду, са животним веком до 60 година уз разумно одржавање.
Јака хармонијска отпорност: Као што је раније поменуто, трансформатор усваја посебан структурални дизајн и одабир материјала да би сузбио хармонијско загађење, смањио загревање намотаја и старење изолације узроковано хармоницима и обезбедио стабилан рад у окружењу са високим хармонијама [7].
Висок капацитет отпорности{0}} кратког споја: У процесу повезивања на мрежу и рада, БЕСС може наићи на изненадне кварове{1}} кратког споја. Трансформатор треба да има јаку механичку чврстоћу и електричну стабилност да би издржао удар струје кратког -споја без деформације или оштећења, обезбеђујући безбедност целог система.
Флексибилна регулација напона: Као одговор на флуктуације напона у електричној мрежи и промену напона батерије током пуњења{0}}пражњења, трансформатор је опремљен флексибилним механизмом за регулацију напона (као што је -измјењивач напона{2}}) за подешавање излазног напона у реалном времену, осигуравајући стабилност преноса енергије.
Прилагодљивост на животну средину: БЕСС се широко користи у отвореним, индустријским парковима и другим сценаријима. Трансформатор треба да има добру прилагодљивост околини, као што је отпорност на високе температуре, отпорност на влагу, отпорност на прашину, итд. На пример, у областима са високом-температуром и високом-влажношћу као што је Донггуан, трансформатори су опремљени интерфејсима за принудно хлађење ваздуха и интелигентним системима за контролу температуре како би се смањио пораст температуре и побољшао капацитет оптерећења[7].
2.2 Главна класификација
Према начину хлађења, облику инсталације и сценарију примене, БЕСС трансформацијамогу се поделити у следеће категорије:
Трансформатори сувог-типа и{1}}уроњени у уље: Због захтева против пожара за пројекте складиштења енергије литијум-јонских батерија, трансформатори сувог-типа се генерално користе у домаћим пројектима јер су без уља{{4}и имају бољу безбедност. Међутим, уљни-трансформатори имају предности у погледу цене, потрошње енергије и прилагодљивости околини, а такође се могу изабрати када су испуњени захтеви за заштиту од пожара. Трансформатори сувог-типа се широко користе у затвореним станицама за складиштење енергије и индустријским и комерцијалним пројектима складиштења енергије, док су уљни-трансформатори погоднији за велике пројекте-комуналне услуге{11}} на страни великих пројеката складиштења енергије.
Трансформатори за монтажу-и затворени трансформатори: Трансформатори постављени на под{1}} су мале величине, лаки за инсталацију и погодни за дистрибуиране пројекте складиштења енергије (као што су индустријски и комерцијални паркови, стамбене области) са ограниченим простором; унутрашњи трансформатори се углавном користе у затвореним станицама за складиштење енергије, са бољим заштитним перформансама и погодним за оштре спољашње средине.
Изолациони трансформатори и трансформатори степена{0}}навише/ниже{1}}: изолациони трансформатори се фокусирају на обезбеђивање галванске изолације ради заштите компоненти система, које се широко користе у сценаријима са високим безбедносним захтевима; Степ{2}}уп/степ-трансформатори су основна опрема за конверзију напона, који се деле на степ{4}} трансформаторе за повећање (за повезивање система за складиштење енергије у мрежу) и трансформаторе степена{5}} на ниже (за пуњење система за складиштење енергије) према смеру конверзије напона.
3. Пракса примене БЕСС трансформатора
Са брзим развојем индустрије складиштења енергије, БЕСС трансформатори су нашироко коришћени у комуналној{0}}, индустријској и комерцијалној-страни и дистрибуираним пројектима складиштења енергије и формирали су зрела решења за апликације за различите сценарије. Следеће комбинује типичне случајеве како би се разрадиле карактеристике њихове примене.
3.1 Услужни-Пројекти за складиштење енергије
Комунални{0}}пројекти за складиштење енергије имају карактеристике великог капацитета, велике снаге и директног повезивања на мрежу, који имају високе захтеве у погледу ефикасности, стабилности и напонског нивоа трансформатора. Генерално, високоефикасни уљни-уроњени или суви-поступни- трансформатори се користе за претварање ниско-излазног наизменичног напона преко ПЦС-а у средњи и високи напон (10кВ–35кВ или више) и интегрисање у преносну и дистрибутивну мрежу. На пример, у великим{10}}ветар{11}}соларним{12}}комплементарним пројектима, трансформатори треба да се прилагоде повременим и флуктуирајућим карактеристикама енергије ветра и сунца, да остваре бидиуправљање рекционим протоком енергије и обезбеђивање стабилности електричне мреже. Истовремено, морају да испуне релевантне стандарде ИЕЦ, ИЕЕЕ или УЛ да би обезбедили-дугорочни поуздан рад.
3.2 Индустријски и комерцијални пројекти складиштења енергије
Индустријски и комерцијални пројекти за складиштење енергије се углавном користе за уклањање пикова, пуњење долине и напајање у хитним случајевима, са честим циклусима{0}}пражњења и високим захтевима за брзину одзива и хармонијску отпорност трансформатора. Пројекат складиштења енергије Донггуан Мацхонг 250КВА је типичан случај: пројекат користи специјални трансформатор за складиштење енергије од 250КВА са конверзијом напона од 800В у 400В, који оптимизује дизајн намотаја да би се прилагодио двосмерном протоку енергије, усваја специјалну технологију заштите за сузбијање хармоника и остварује одзив са ниским напоном{6} у милисекундама{7} савршено одговара потребама брзог прилагођавања система за складиштење енергије. Поред тога, трансформатор је опремљен интелигентним системом за контролу температуре како би се прилагодио високој-температури и високој{10}}клими у Донггуану, смањујући пораст температуре за више од 10К и обезбеђујући максималну корист од складиштења енергије.
3.3 Пројекти дистрибуираног складиштења енергије
Дистрибуирани пројекти за складиштење енергије (као што су стамбена подручја, мали индустријски паркови) имају мали капацитет, малу заузетост простора и високе захтеве у погледу минијатуризације и флексибилности трансформатора. Уопштено говорећи, користе се суви-трансформатори- типа или мали изолациони трансформатори, који имају карактеристике мале величине, једноставне инсталације и ниске буке. Истовремено, треба да се прилагоде флуктуацији напона дистрибутивне мреже и честом пуњењу{4}}пражњења малих система за складиштење енергије, обезбеђујући сигурност и стабилност локалног напајања. На пример, у системима за складиштење енергије у домаћинству, мали изолациони трансформатори се користе да изолују систем батерија од електричне мреже у домаћинству, спречавајући кварове да утичу на безбедност употребе електричне енергије у домаћинству.
3.4 Апликација иновативне архитектуре интеграције
Последњих година, са развојем технологије паметних трансформатора, појавила се иновативна архитектура која интегрише БЕСС у паметне трансформаторе. Ова архитектура користи тренутни извор-тип четири-активни-мост (ЦФ-КАБ) ДЦ-ДЦ претварач као језгро и додаје порт на изолованом ДЦ-ДЦ нивоу паметног трансформатора да би се реализовала директна интеграција БЕСС-а без додатних претварача. У поређењу са традиционалном шемом интеграције, ова архитектура смањује број уређаја за око 20%, а ефикасност претварача достиже 98,12%, што је знатно више од традиционалне шеме. Експериментална верификација показује да када се напон батерије промени, напон на страни ниског{11}}напона може да се стабилно одржава, а укупна снага преноса може да се динамички прилагођава без флуктуација, пружајући нови технички пут за ефикасну интеграцију БЕСС-а и трансформатора.
4. Кључни критеријуми избора и технички захтеви за БЕСС трансформаторе
Избор БЕСС трансформатора директно утиче на ефикасност, безбедност и економску корист целокупног система складиштења енергије. Неопходно је свеобухватно размотрити факторе као што су капацитет система, степен напона, радни услови и безбедносни захтеви, и пратити следеће кључне критеријуме избора и техничке захтеве.
4.1 Усклађивање капацитета
Називни капацитет трансформатора треба да буде усклађен са називном снагом ПЦС-а, а истовремено треба узети у обзир губитак помоћне снаге и рад преоптерећења. Генерално, не би требало да буде мања од 1,05 пута од називне снаге повезаног ПЦС-а да би се обезбедио дугорочан-безбедан рад трансформатора. Треба напоменути да ће слепо смањење капацитета трансформатора ради смањења трошкова довести до недовољне оперативне маргине и утицати на стабилност система. На пример, у неким пројектима централизованог складиштења енергије, избор трансформатора са недовољним капацитетом ће довести до прегревања и старења трансформатора током дуготрајног-радња, смањујући његов радни век.
4.2 Ниво енергетске ефикасности
Ниво енергетске ефикасности трансформатора директно утиче на губитак енергије и трошкове рада система за складиштење енергије. Национални стандард „Граница енергетске ефикасности и ниво енергетске ефикасности енергетских трансформатора“ дели енергетску ефикасност на три нивоа, међу којима Ниво 1 има највећу енергетску ефикасност. Приликом избора потребно је свеобухватно упоредити економичност и ефикасност и одабрати трансформаторе који задовољавају релевантне стандарде енергетске ефикасности. За велике-пројекте за складиштење енергије са дугим радним временом, избор трансформатора енергетске ефикасности нивоа 1 може уштедети много трошкова електричне енергије током целог животног циклуса.
4.3 Избор метода хлађења
Избор методе хлађења треба да се заснива на сценарију примене и безбедносним захтевима. У затвореним станицама за складиштење енергије и пројектима складиштења енергије литијум{1}}јонских батерија, суви- трансформатори би требало да буду преферирани због њихове добре безбедности и без опасности од пожара и експлозије. У великим-пројектима за складиштење енергије на отвореном, трансформатори уроњени у уље-могу да се изаберу када су испуњени захтеви за заштиту од пожара, користећи предност њихове ниске потрошње енергије и ниске цене. У исто време, одговарајуће мере хлађења (као што је принудно хлађење ваздухом, принудно хлађење уља) треба да се конфигуришу у складу са радним окружењем како би се осигурало да трансформатор ради у дозвољеном температурном опсегу.
4.4 Усклађивање кључних параметара
Поред капацитета и енергетске ефикасности, при избору трансформатора треба узети у обзир и подударање кључних параметара као што су називни напон, импеданса кратког{0}}споја, опсег одвода и група везе. На пример, називни напон на нисконапонској-страни трансформатора треба да одговара називном напону на страни наизменичне струје ПЦС-а, а називни напон на страни високог-напона треба да одговара напону на нисконапонској-страни главног трансформатора; група веза обично усваја Ди11 начин повезивања да би се прилагодила двосмерном протоку енергије и захтевима за потискивање хармоника БЕСС-а.
4.5 Безбедност и поузданост
Трансформатор треба да има поуздане изолационе перформансе, капацитет отпорности на кратак{0}} спој и функцију заштите од пренапона да би се прилагодио тешком радном окружењу БЕСС-а. На пример, ниво изолације треба да задовољи захтеве радног напона, а намотај треба третирати изолацијом како би се спречило старење и квар изолације; трансформатор треба да буде опремљен надзором температуре, заштитом од прекомерне струје и другим уређајима за благовремено откривање и руковање кваровима, обезбеђујући сигурност система.
5. Будући трендови развоја
Уз континуирано ширење обима БЕСС-а и континуирано побољшање техничких захтева, трансформатори за БЕСС се суочавају са новим изазовима, а истовремено показују јасан тренд развоја ка високој ефикасности, интелигенцији, интеграцији и минијатуризацији.
5.2 Будући трендови развоја
Висока ефикасност и мали губици: Уз континуирано побољшање стандарда енергетске ефикасности, истраживање и развој високо{0}}трансформатора ће постати фокус. Усвајањем нових материјала за језгро (као што је аморфна легура), оптимизацијом структуре намотаја и побољшањем производних процеса, губици без-оптерећења трансформатора ће бити додатно смањени, а свеобухватна ефикасност БЕСС-а ће бити побољшана.
Интелигентна надоградња: БЕСС трансформатори ће бити интегрисани са интелигентним технологијама као што су Интернет ствари (ИоТ), велики подаци и вештачка интелигенција. Кроз-надгледање радних параметара трансформатора у реалном времену (температура, струја, напон, итд.), реализоваће се предиктивно одржавање и дијагностика кварова, смањујући трошкове одржавања и побољшавајући поузданост система. Истовремено, реализоваће интелигентну интеракцију са ПЦС-ом и паметним мрежама, побољшавајући флексибилност и управљивост система за складиштење енергије.
Интеграција и минијатуризација: Интеграција трансформатора и ПЦС-а ће постати нови тренд, смањујући запремину и тежину система, поједностављујући процес инсталације и смањујући цену целокупног система за складиштење енергије. На пример, иновативна интегрисана архитектура паметних трансформатора и БЕСС-а може смањити број уређаја и побољшати ефикасност интеграције. У исто време, дизајн минијатуризације ће трансформаторе учинити погоднијим за сценарије дистрибуираног складиштења енергије са ограниченим простором.
Прилагођавање и диверзификација: Са диверсификацијом сценарија примене БЕСС (комунална{0}}страна, индустријска и комерцијална-страна, дистрибуирана), потражња за прилагођеним трансформаторима ће се повећати. Трансформатори ће бити пројектовани у складу са специфичним потребама различитих пројеката, као што су напон, капацитет, радно окружење и безбедносни захтеви, како би се побољшала прилагодљивост и економичност система.
Зелени и ниски{0}}угљенични: У контексту стратегије „двоогљичног“ процеса, трансформација трансформатора са зеленим и ниским{1}}угљеником ће бити убрзана. Коришћење еколошки прихватљивих материјала (као што су не-нетоксични и разградиви изолациони материјали) и оптимизација дизајна{4}}уштеде енергије ће смањити утицај трансформатора на животну средину, остварујући зелени развој целокупне индустрије складиштења енергије.
6. Закључак
Као основна компонента интерфејса система за складиштење енергије батерија, трансформатори преузимају кључне задатке конверзије напона, управљања двосмерним протоком енергије, сигурносне заштите и оптимизације ефикасности, који су кључни за стабилан, ефикасан и безбедан рад БЕСС-а. Са брзим развојем индустрије складиштења енергије, технички захтеви за БЕСС трансформаторе се стално побољшавају, а трансформатори се развијају ка високој ефикасности, интелигенцији, интеграцији и минијатуризацији.
У будућности, уз континуирани продор нових материјала, нових технологија и нових архитектура, БЕСС трансформатори ће се боље прилагођавати потребама развоја великих-система за складиштење интелигентних и зелених енергија, пружати снажнију подршку за интеграцију обновљиве енергије и изградњу паметних мрежа и дати важан допринос глобалној енергетској трансформацији и реализацији циља „дуалног угљеника“. За пројектанте, оператере и произвођаче опреме за складиштење енергије, неопходно је посветити пуну пажњу избору и примени трансформатора и промовисати здрав и одржив развој индустрије складиштења енергије кроз научно пројектовање, рационалну селекцију и интелигентни рад.
