Met de snelle vooruitgang van de integratie van hernieuwbare energie en de verdieping van de mondiale ‘dual carbon’-strategie zijn Battery Energy Storage Systems (BESS) de belangrijkste ondersteuning geworden voor moderne energiesystemen, die cruciale taken uitvoeren zoals peak shaving, valley-filling, frequentieregulering en compensatie van hernieuwbare energiefluctuaties. In het hart van de energieconversie- en transmissieketen van BESS ligt een sleutelcomponent-de transformator. In tegenstelling tot traditionele stroomtransformatoren zijn transformatoren voor BESS ontworpen om zich aan te passen aan de bidirectionele energiestroom, frequente laad-{3}}ontlaadcycli en hoge harmonische interferentie-eigenschappen van energieopslagsystemen, en dienen ze als de "brug" tussen batterijmodules, stroomconversiesystemen (PCS) en het elektriciteitsnet. Dit artikel gaat systematisch in op de rol, technische kenmerken, toepassingspraktijken, belangrijke selectiecriteria en toekomstige ontwikkelingstrends van transformatoren in BESS, en biedt een uitgebreide referentie voor het ontwerp, de werking en de optimalisatie van energieopslagprojecten.
1. De kernrol van transformatoren in batterij-energieopslagsystemen
Batterij-energieopslagsystemen werken op basis van de cyclische conversie van elektrische energie: tijdens de laadfase leveren het elektriciteitsnet of hernieuwbare energiebronnen stroom om de batterijmodules op te laden (omgezet van AC naar DC door PCS); tijdens de ontlaadfase wordt de gelijkstroomenergie die in de batterijen is opgeslagen door PCS weer omgezet in wisselstroom en aan het elektriciteitsnet geleverd of aan de belasting geleverd. Transformatoren vervullen als de belangrijkste interfaceapparatuur vijf onmisbare kernfuncties in dit proces, die rechtstreeks de efficiëntie, stabiliteit en veiligheid van de hele BESS bepalen.
1.1 Spanningstransformatie en matching
Batterijmodules in BESS voeren doorgaans gelijkstroomenergie met lage-spanning uit, die na inversie door PCS wordt omgezet in wisselstroom met lage-spanning (doorgaans 480 V–690 V). Het elektriciteitsnet werkt echter over het algemeen op midden- of hoogspanningsniveaus (zoals 10 kV, 35 kV of hoger) voor efficiënte transmissie over lange- afstanden. De transformator realiseert de stap-van lage-AC-spanning naar het net-niveau tijdens het ontladen, en de stap-van de netspanning naar PCS-aanpasbare lage spanning tijdens het opladen, waardoor een naadloze afstemming tussen het energieopslagsysteem en de netspanning wordt gegarandeerd[6]. In het Dongguan 250KVA-energieopslagproject realiseert de transformator bijvoorbeeld spanningsomzetting van 800 V naar 400 V, waarmee wordt voldaan aan de vraag om het energieopslagsysteem te integreren in het laagspanningsdistributienetwerk van de fabriek.
1.2 Bidirectioneel stroombeheer
In tegenstelling tot traditionele transformatoren die alleen de unidirectionele stroomstroom verwerken, moeten BESS-transformatoren zich tijdens het laden en ontladen aanpassen aan de bidirectionele stroomkarakteristieken van energie. Door een geoptimaliseerd wikkelontwerp en een magnetische circuitconfiguratie zorgen ze voor een hoog rendement en een laag verlies in beide werkmodi, waardoor energieverspilling als gevolg van unidirectionele ontwerpknelpunten wordt vermeden. Dit bidirectionele aanpassingsvermogen is het belangrijkste verschil tussen BESS-transformatoren en conventionele vermogenstransformatoren, en het is ook een belangrijke garantie voor de flexibele werking van energieopslagsystemen.
1.3 Galvanische isolatie en veiligheidsbescherming
BESS omvat conversie van elektrische energie met hoog-vermogen, en het risico op fouten zoals overspanning, kortsluiting en harmonische interferentie is relatief hoog. Transformatoren zorgen voor effectieve galvanische isolatie tussen het batterijsysteem, PCS en het elektriciteitsnet, waardoor wordt voorkomen dat fouten aan de ene kant zich naar de andere kant verspreiden en de veiligheid van kerncomponenten zoals batterijmodules en PCS wordt beschermd. Bij energieopslagprojecten met lithium-ionbatterijen kan isolatiebescherming bijvoorbeeld effectief het risico van brand en explosie voorkomen dat wordt veroorzaakt door fouten aan de net-zijde die het batterijcluster aantasten, waardoor de algehele veiligheid van het systeem wordt verbeterd.
1.4 Harmonische mitigatie en verbetering van de stabiliteit
PCS in BESS genereren tijdens bedrijf een groot aantal hoge- harmonischen, die niet alleen het elektriciteitsnet vervuilen, maar ook oververhitting, veroudering en efficiëntievermindering van transformatorwikkelingen veroorzaken. BESS-transformatoren maken gebruik van speciale wikkelingsverbindingsmethoden (zoals delta-verbinding) en afschermingstechnologie om karakteristieke harmonischen zoals de 3e en 5e harmonischen effectief te onderdrukken, de impact van harmonische interferentie op het systeem te verminderen en de stabiele werking van het energieopslagsysteem en het elektriciteitsnet te garanderen.
1.5 Efficiëntieoptimalisatie en vermindering van energieverlies
Transformatoren zijn een van de belangrijkste energie-verbruikende componenten in BESS, en hun energieverlies (inclusief geen-belastingsverlies en belastingsverlies) heeft rechtstreeks invloed op de algehele efficiëntie van het energieopslagsysteem. Hoog-efficiënte BESS-transformatoren kunnen het energieverlies verminderen door geoptimaliseerde selectie van kernmateriaal, verbetering van het wikkelproces en ontwerp met lage- impedantie, waardoor de economische voordelen van energieopslagprojecten worden verbeterd. Geschat wordt dat voor een droge- transformator van het 35 kV 3150 kVA-type de jaarlijkse energiebesparing van een energie-efficiëntietransformator van klasse 1 ongeveer 14.000 kWh kan bedragen vergeleken met een energie-efficiëntietransformator van klasse 3.
2. Technische kenmerken en classificatie van BESS-transformatoren
Vergeleken met traditionele stroomtransformatoren hebben BESS-transformatoren te maken met zwaardere bedrijfsomstandigheden: frequente belastingsveranderingen, bidirectionele stroomstroom, hoge harmonische inhoud en strikte veiligheidseisen. Daarom hebben ze unieke technische kenmerken en worden ze ingedeeld in verschillende typen op basis van toepassingsscenario's en ontwerpnormen.
2.1 Technische kernkenmerken
Hoog cyclisch aanpassingsvermogen: BESS moet elke dag meerdere laad-{0}}ontlaadcycli voltooien, en de transformator moet bestand zijn tegen frequente belastingsmutaties en stroomschommelingen zonder prestatieverlies. Door de selectie van siliciumstaalplaten van hoge-kwaliteit en een geoptimaliseerde wikkelstructuur kan het zich aanpassen aan lange-termijn hoge-cycli, met een levensduur van maximaal 60 jaar bij redelijk onderhoud.
Sterke harmonische weerstand: Zoals eerder vermeld, heeft de transformator een speciaal structureel ontwerp en een speciale materiaalkeuze om harmonische vervuiling te onderdrukken, de opwarming van de wikkelingen en isolatieveroudering veroorzaakt door harmonischen te verminderen en een stabiele werking in een hoge harmonische omgeving te garanderen[7].
Hoge weerstand tegen kortsluiting-capaciteit: tijdens het aansluiten en in werking stellen op het elektriciteitsnet kan BESS te maken krijgen met plotselinge kortsluiting-fouten. De transformator moet een sterke mechanische sterkte en elektrische stabiliteit hebben om de impact van kortsluitstroom te weerstaan- zonder vervorming of schade, waardoor de veiligheid van het hele systeem wordt gegarandeerd.
Flexibele spanningsregeling: als reactie op de spanningsschommelingen van het elektriciteitsnet en de spanningsverandering van de accu tijdens het laden{0}}ontladen, is de transformator uitgerust met een flexibel spanningsregelingsmechanisme (zoals een -load tap-wisselaar) om de uitgangsspanning in realtime aan te passen, waardoor de stabiliteit van de energietransmissie wordt gegarandeerd.
Aanpassingsvermogen aan het milieu: BESS wordt veel gebruikt in openlucht-, industrieparken en andere scenario's. De transformator moet een goed aanpassingsvermogen aan de omgeving hebben, zoals hoge temperatuurbestendigheid, vochtbestendigheid, stofbestendigheid, enz. In gebieden met hoge- temperaturen en hoge -vochtigheid, zoals Dongguan, zijn transformatoren bijvoorbeeld uitgerust met geforceerde luchtkoelinginterfaces en intelligente temperatuurregelsystemen om de temperatuurstijging te verminderen en de laadcapaciteit te verbeteren[7].
2.2 Hoofdclassificatie
Afhankelijk van de koelmethode, installatievorm en toepassingsscenario transformeert BESSers kunnen worden onderverdeeld in de volgende categorieën:
Droge-type en olie-ondergedompelde transformatoren: vanwege de brandveiligheidseisen van energieopslagprojecten met lithium-ionbatterijen, worden droge- transformatoren over het algemeen gebruikt in huishoudelijke projecten omdat ze olie-vrij zijn en een betere veiligheid hebben. In olie ondergedompelde transformatoren- bieden echter voordelen op het gebied van kosten, energieverbruik en aanpassingsvermogen aan de omgeving, en kunnen ook worden geselecteerd als aan de brandveiligheidseisen wordt voldaan. Droge-transformatoren worden veel gebruikt in energieopslagstations binnenshuis en industriële en commerciële energieopslagprojecten, terwijl in olie-ondergedompelde transformatoren meer geschikt zijn voor grootschalige-schaal energieopslagprojecten voor buitengebruik-.
Pad-gemonteerde en binnentransformatoren: Pad-gemonteerde transformatoren zijn klein van formaat, eenvoudig te installeren en geschikt voor gedistribueerde energieopslagprojecten (zoals industriële en commerciële parken, woonwijken) met beperkte ruimte; binnentransformatoren worden voornamelijk gebruikt in energieopslagstations binnenshuis, met betere beschermingsprestaties en geschikt voor zware buitenomgevingen.
Isolatietransformatoren en stap-omhoog/stap-transformatoren: scheidingstransformatoren zijn gericht op het bieden van galvanische isolatie om systeemcomponenten te beschermen, die veel worden gebruikt in scenario's met hoge veiligheidseisen; step{2}}up/step-down-transformatoren zijn de kernapparatuur voor spanningsconversie, die zijn onderverdeeld in step-up-transformatoren (voor netaansluiting van energieopslagsystemen) en step-down-transformatoren (voor het opladen van energieopslagsystemen), afhankelijk van de richting van de spanningsconversie.
3. Toepassingspraktijken van BESS Transformers
Met de snelle ontwikkeling van de energieopslagindustrie worden BESS-transformatoren op grote schaal gebruikt in nuts-, industriële en commerciële- projecten voor energieopslag en gedistribueerde energieopslag, en hebben ze volwassen toepassingsoplossingen gevormd voor verschillende scenario's. Hieronder worden typische gevallen gecombineerd om hun toepassingskenmerken verder uit te werken.
3.1 Nuts-schaalprojecten voor energieopslag
Energieopslagprojecten op utiliteits-schaal hebben de kenmerken van grote capaciteit, hoog vermogen en directe aansluiting op het elektriciteitsnet, wat hoge eisen stelt aan de efficiëntie, stabiliteit en spanningsgraad van transformatoren. Over het algemeen worden hoog-efficiënte, olie-ondergedompelde of droge- step-transformatoren van het type gebruikt om de laag-AC-uitvoer van PCS om te zetten in midden- en hoogspanning (10 kV–35 kV of hoger) en deze te integreren in het transmissie- en distributienetwerk. In grootschalige-schaal complementaire projecten voor wind--zonne--opslag moeten transformatoren zich bijvoorbeeld aanpassen aan de intermitterende en fluctuerende kenmerken van wind- en zonne-energie, en bidi realiserenfunctioneel beheer van de energiestromen, en zorgen voor de stabiliteit van het elektriciteitsnet. Tegelijkertijd moeten ze voldoen aan de relevante normen van IEC, IEEE of UL om een betrouwbare werking op lange- termijn te garanderen.
3.2 Industriële en commerciële energieopslagprojecten
Industriële en commerciële energieopslagprojecten worden voornamelijk gebruikt voor piekreductie, het opvullen van dalen en noodstroomvoorziening, met frequente laad-{0}}ontlaadcycli en hoge eisen aan de responssnelheid en harmonische weerstand van transformatoren. Het Dongguan Machong 250KVA-energieopslagproject is een typisch voorbeeld: het project maakt gebruik van een speciale energieopslagtransformator van 250 KVA met een spanningsomzetting van 800 V naar 400 V, die het ontwerp van de wikkelingen optimaliseert om zich aan te passen aan de bidirectionele energiestroom, speciale afschermingstechnologie toepast om harmonischen te onderdrukken en een spanningsrespons op milliseconden-niveau realiseert via een ontwerp met lage- impedantie, wat perfect aansluit bij de snelle aanpassingsbehoeften van het energieopslagsysteem. Bovendien is de transformator uitgerust met een intelligent temperatuurcontrolesysteem om zich aan te passen aan het hoge- temperatuur- en hoge- klimaat in Dongguan, waardoor de temperatuurstijging met meer dan 10 K wordt verminderd en het maximale voordeel op het gebied van energieopslag wordt gegarandeerd.
3.3 Gedistribueerde energieopslagprojecten
Gedistribueerde energieopslagprojecten (zoals woonwijken en kleine industrieparken) hebben een kleine capaciteit, een klein ruimtegebruik en hoge eisen aan de miniaturisatie en flexibiliteit van transformatoren. Over het algemeen worden pad-gemonteerde droge- transformatoren of kleine isolatietransformatoren gebruikt, die de kenmerken hebben van klein formaat, eenvoudige installatie en weinig ruis. Tegelijkertijd moeten ze zich aanpassen aan de spanningsschommelingen van het distributienetwerk en het frequente opladen-ontladen van kleine energieopslagsystemen, waardoor de veiligheid en stabiliteit van de lokale stroomvoorziening wordt gewaarborgd. In huishoudelijke energieopslagsystemen worden bijvoorbeeld kleine scheidingstransformatoren gebruikt om het batterijsysteem te isoleren van het elektriciteitsnet van het huishouden, waardoor wordt voorkomen dat fouten de veiligheid van het elektriciteitsverbruik van huishoudens beïnvloeden.
3.4 Innovatieve integratiearchitectuurtoepassing
Met de ontwikkeling van slimme transformatortechnologie is de afgelopen jaren een innovatieve architectuur ontstaan die BESS integreert in slimme transformatoren. Deze architectuur gebruikt een stroombron-type vier-actieve-brug (CF-QAB) DC-DC-converter als kern, en voegt een poort toe op het geïsoleerde DC-DC-niveau van de slimme transformator om de directe integratie van BESS te realiseren zonder extra converters. Vergeleken met het traditionele integratieschema vermindert deze architectuur het aantal apparaten met ongeveer 20% en bereikt de efficiëntie van de converter 98,12%, wat aanzienlijk hoger is dan het traditionele schema. Experimentele verificatie toont aan dat wanneer de accuspanning verandert, de lage spanning aan de zijkant stabiel kan worden gehandhaafd en dat het totale zendvermogen dynamisch kan worden aangepast zonder fluctuaties. Dit biedt een nieuw technisch pad voor de efficiënte integratie van BESS en transformatoren.
4. Belangrijkste selectiecriteria en technische vereisten voor BESS-transformatoren
De selectie van BESS-transformatoren heeft rechtstreeks invloed op de efficiëntie, veiligheid en economische voordelen van het gehele energieopslagsysteem. Het is noodzakelijk om uitgebreid rekening te houden met factoren zoals systeemcapaciteit, spanningsklasse, bedrijfsomstandigheden en veiligheidseisen, en de volgende belangrijke selectiecriteria en technische vereisten te volgen.
4.1 Capaciteitsafstemming
De nominale capaciteit van de transformator moet worden afgestemd op het nominale vermogen van PCS, en tegelijkertijd moet rekening worden gehouden met de vereisten voor hulpvermogensverlies en overbelasting. Over het algemeen mag dit niet minder zijn dan 1,05 keer het nominale vermogen van de aangesloten PCS om de veilige werking van de transformator op de lange- termijn te garanderen. Opgemerkt moet worden dat het blindelings verminderen van de transformatorcapaciteit om de kosten te verlagen zal leiden tot onvoldoende operationele marge en de stabiliteit van het systeem zal aantasten. Bij sommige gecentraliseerde energieopslagprojecten zal het kiezen van een transformator met onvoldoende capaciteit bijvoorbeeld leiden tot oververhitting en veroudering van de transformator tijdens langdurig gebruik-, waardoor de levensduur ervan wordt verkort.
4.2 Energie-efficiëntieniveau
Het energie-efficiëntieniveau van de transformator heeft rechtstreeks invloed op het energieverlies en de bedrijfskosten van het energieopslagsysteem. De nationale norm "Energy Efficiency Limit and Energy Efficiency Level of Power Transformers" verdeelt de energie-efficiëntie in drie niveaus, waarbij niveau 1 de hoogste energie-efficiëntie heeft. Bij de selectie is het noodzakelijk om de zuinigheid en efficiëntie uitgebreid te vergelijken en transformatoren te selecteren die voldoen aan de relevante normen voor energie-efficiëntie. Voor grootschalige energieopslagprojecten op grote schaal- met een lange bedrijfstijd kan het selecteren van energie-efficiëntietransformatoren van niveau 1 veel elektriciteitskosten besparen gedurende de hele levenscyclus.
4.3 Selectie van koelmethode
De keuze van de koelmethode moet gebaseerd zijn op het toepassingsscenario en de veiligheidseisen. Bij energieopslagstations binnenshuis en energieopslagprojecten met lithium{1}}ionbatterijen verdienen droge- transformatoren de voorkeur vanwege hun goede veiligheid en het feit dat ze geen risico op brand en explosie inhouden. Bij grootschalige energieopslagprojecten op grote schaal- kunnen in olie ondergedompelde- transformatoren worden geselecteerd wanneer aan de brandveiligheidseisen wordt voldaan, waarbij gebruik wordt gemaakt van hun lage energieverbruik en lage kosten. Tegelijkertijd moeten overeenkomstige koelmaatregelen (zoals geforceerde luchtkoeling, geforceerde oliekoeling) worden geconfigureerd in overeenstemming met de bedrijfsomgeving om ervoor te zorgen dat de transformator binnen het toegestane temperatuurbereik werkt.
4.4 Matching van sleutelparameters
Naast capaciteit en energie-efficiëntie moet bij de selectie van transformatoren ook rekening worden gehouden met de afstemming van belangrijke parameters zoals nominale spanning, kortsluitimpedantie, aftakkingsbereik en verbindingsgroep. De nominale spanning aan de lage-spanningszijde van de transformator moet bijvoorbeeld overeenkomen met de nominale spanning aan de AC-zijde van PCS, en de nominale spanning aan de hoge-spanningszijde moet overeenkomen met de spanning aan de lage-spanningszijde van de hoofdtransformator; de verbindingsgroep gebruikt gewoonlijk de Dy11-verbindingsmodus om zich aan te passen aan de bidirectionele energiestroom en harmonische onderdrukkingsvereisten van BESS.
4.5 Veiligheid en betrouwbaarheid
De transformator moet betrouwbare isolatieprestaties hebben, een kortsluitvast-vermogen en een overspanningsbeveiligingsfunctie hebben om zich aan te passen aan de zware omstandigheden van BESS. Het isolatieniveau moet bijvoorbeeld voldoen aan de vereisten van de bedrijfsspanning en de wikkeling moet worden behandeld met isolatie om veroudering en defecten van de isolatie te voorkomen; de transformator moet zijn uitgerust met temperatuurbewaking, overstroombeveiliging en andere apparaten om fouten tijdig te detecteren en af te handelen, waardoor de veiligheid van het systeem wordt gewaarborgd.
5. Toekomstige ontwikkelingstrends
Met de voortdurende uitbreiding van de schaal van BESS en de voortdurende verbetering van de technische vereisten worden transformatoren voor BESS geconfronteerd met nieuwe uitdagingen, terwijl ze ook een duidelijke ontwikkelingstrend laten zien in de richting van hoge efficiëntie, intelligentie, integratie en miniaturisatie.
5.2 Toekomstige ontwikkelingstrends
Hoog rendement en weinig verlies: Met de voortdurende verbetering van de energie-efficiëntienormen zal het onderzoek en de ontwikkeling van hoog-efficiënte transformatoren de focus worden. Door nieuwe kernmaterialen te gebruiken (zoals een amorfe legering), de wikkelstructuur te optimaliseren en de productieprocessen te verbeteren, zullen het nullastverlies en het belastingsverlies van transformatoren verder worden verminderd en zal de uitgebreide efficiëntie van BESS worden verbeterd.
Intelligente upgrade: BESS-transformatoren zullen worden geïntegreerd met intelligente technologieën zoals Internet of Things (IoT), big data en kunstmatige intelligentie. Door realtime monitoring van de bedrijfsparameters van de transformator (temperatuur, stroom, spanning, enz.) kunnen voorspellend onderhoud en foutdiagnose worden gerealiseerd, waardoor de onderhoudskosten worden verlaagd en de betrouwbaarheid van het systeem wordt verbeterd. Tegelijkertijd zal het intelligente interactie met PCS en slimme netwerken realiseren, waardoor de flexibiliteit en beheersbaarheid van energieopslagsystemen wordt verbeterd.
Integratie en miniaturisatie: De integratie van transformatoren en PCS zal een nieuwe trend worden, waardoor het volume en het gewicht van het systeem worden verminderd, het installatieproces wordt vereenvoudigd en de kosten van het gehele energieopslagsysteem worden verlaagd. De innovatieve geïntegreerde architectuur van slimme transformatoren en BESS kan bijvoorbeeld het aantal apparaten verminderen en de integratie-efficiëntie verbeteren. Tegelijkertijd zal het miniaturisatieontwerp transformatoren geschikter maken voor scenario's voor gedistribueerde energieopslag met beperkte ruimte.
Maatwerk en diversificatie: Met de diversificatie van BESS-toepassingsscenario's (nuts-zijde, industriële en commerciële-zijde, gedistribueerd) zal de vraag naar op maat gemaakte transformatoren toenemen. Transformatoren zullen worden ontworpen op basis van de specifieke behoeften van verschillende projecten, zoals spanningsklasse, capaciteit, werkomgeving en veiligheidsvereisten, om het aanpassingsvermogen en de economie van het systeem te verbeteren.
Groen en koolstofarm-: In de context van de 'dual carbon'-strategie zal de groene en koolstofarme-transformatie van transformatoren worden versneld. Het gebruik van milieuvriendelijke materialen (zoals niet-giftige en afbreekbare isolatiematerialen) en de optimalisatie van energie-besparende ontwerpen zullen de milieu-impact van transformatoren verminderen, waardoor de groene ontwikkeling van de gehele energieopslagindustrie wordt gerealiseerd.
6. Conclusie
Als de kerninterfacecomponent van batterij-energieopslagsystemen vervullen transformatoren de belangrijkste taken van spanningsconversie, bidirectioneel energiestroombeheer, veiligheidsbescherming en efficiëntie-optimalisatie, die cruciaal zijn voor de stabiele, efficiënte en veilige werking van BESS. Met de snelle ontwikkeling van de energieopslagindustrie worden de technische vereisten voor BESS-transformatoren voortdurend verbeterd, en ontwikkelen transformatoren zich in de richting van hoge efficiëntie, intelligentie, integratie en miniaturisatie.
In de toekomst, met de voortdurende doorbraak van nieuwe materialen, nieuwe technologieën en nieuwe architecturen, zullen BESS-transformatoren zich beter aanpassen aan de ontwikkelingsbehoeften van grootschalige, intelligente en groene energieopslagsystemen, sterkere ondersteuning bieden voor de integratie van hernieuwbare energie en de constructie van slimme netwerken, en belangrijke bijdragen leveren aan de mondiale energietransformatie en de realisatie van het doel van 'dubbele koolstof'. Voor ontwerpers, exploitanten en fabrikanten van apparatuur voor energieopslagprojecten is het noodzakelijk om volledige aandacht te besteden aan de selectie en toepassing van transformatoren, en de gezonde en duurzame ontwikkeling van de energieopslagindustrie te bevorderen door middel van wetenschappelijk ontwerp, rationele selectie en intelligente werking.