Con il rapido avanzamento dell’integrazione delle energie rinnovabili e l’approfondimento della strategia globale “dual carbon”, i sistemi di accumulo dell’energia a batteria (BESS) sono diventati il supporto principale dei moderni sistemi energetici, svolgendo compiti critici come il peak shaving, il riempimento delle valli, la regolazione della frequenza e la compensazione delle fluttuazioni delle energie rinnovabili. Al centro della catena di conversione e trasmissione dell'energia di BESS si trova un componente chiave-il trasformatore. A differenza dei trasformatori di potenza tradizionali, i trasformatori per BESS sono progettati per adattarsi al flusso di energia bidirezionale, ai frequenti cicli di carica-scarica e alle caratteristiche di elevata interferenza armonica dei sistemi di accumulo di energia, fungendo da "ponte" tra i moduli batteria, i sistemi di conversione di potenza (PCS) e la rete elettrica. Questo articolo elabora sistematicamente il ruolo, le caratteristiche tecniche, le pratiche applicative, i criteri di selezione chiave e le tendenze di sviluppo futuro dei trasformatori in BESS, fornendo un riferimento completo per la progettazione, il funzionamento e l'ottimizzazione dei progetti di stoccaggio dell'energia.
1. Il ruolo fondamentale dei trasformatori nei sistemi di accumulo dell'energia a batteria
I sistemi di accumulo dell'energia a batteria funzionano basandosi sulla conversione ciclica dell'energia elettrica: durante la fase di carica, la rete o le fonti di energia rinnovabile forniscono energia per caricare i moduli batteria (convertiti da AC a DC tramite PCS); durante la fase di scarica, l'energia DC immagazzinata nelle batterie viene riconvertita in AC dal PCS e immessa in rete o fornita al carico. I trasformatori, in quanto apparecchiature di interfaccia principali, svolgono cinque funzioni fondamentali indispensabili in questo processo, determinando direttamente l'efficienza, la stabilità e la sicurezza dell'intero BESS.
1.1 Trasformazione e adattamento della tensione
I moduli batteria nel BESS solitamente emettono energia CC a bassa-tensione, che viene convertita in CA a bassa-tensione (tipicamente 480 V–690 V) dal PCS dopo l'inversione. Tuttavia, la rete elettrica generalmente funziona a livelli di tensione medi o alti (come 10 kV, 35 kV o superiori) per una trasmissione efficiente a lunga- distanza. Il trasformatore realizza l'aumento-della tensione CA a bassa-tensione al livello di rete-durante la scarica e l'aumento-della tensione di rete al livello di tensione adattabile PCS-durante la carica, garantendo una perfetta corrispondenza tra il sistema di accumulo dell'energia e il grado di tensione della rete[6]. Ad esempio, nel progetto di accumulo di energia da 250 KVA di Dongguan, il trasformatore realizza la conversione della tensione da 800 V a 400 V, soddisfacendo la richiesta di integrazione del sistema di accumulo di energia nella rete di distribuzione a bassa tensione-della fabbrica.
1.2 Gestione del flusso di potenza bidirezionale
A differenza dei trasformatori tradizionali che gestiscono solo il flusso di potenza unidirezionale, i trasformatori BESS devono adattarsi alle caratteristiche del flusso bidirezionale dell'energia durante la carica e la scarica. Attraverso il design ottimizzato dell'avvolgimento e la configurazione del circuito magnetico, garantiscono elevata efficienza e basse perdite in entrambe le modalità di funzionamento, evitando sprechi energetici causati da colli di bottiglia del design unidirezionale. Questa adattabilità bidirezionale è la differenza fondamentale tra i trasformatori BESS e i trasformatori di potenza convenzionali ed è anche un'importante garanzia per il funzionamento flessibile dei sistemi di accumulo dell'energia.
1.3 Isolamento galvanico e protezione di sicurezza
Il BESS comporta una conversione di energia elettrica ad alta-potenza e il rischio di guasti quali sovratensione, cortocircuito e interferenze armoniche è relativamente elevato. I trasformatori forniscono un efficace isolamento galvanico tra il sistema batteria, il PCS e la rete, impedendo che i guasti da un lato si diffondano all'altro e proteggendo la sicurezza dei componenti principali come i moduli batteria e il PCS. Ad esempio, nei progetti di stoccaggio dell'energia con batterie agli ioni di litio-, la protezione dell'isolamento può evitare efficacemente il rischio di incendi ed esplosioni causati da guasti lato rete-che interessano il gruppo batterie, migliorando la sicurezza generale del sistema.
1.4 Mitigazione armonica e miglioramento della stabilità
Il PCS in BESS genererà un gran numero di armoniche di ordine elevato- durante il funzionamento, che non solo inquineranno la rete elettrica ma causeranno anche surriscaldamento, invecchiamento e riduzione dell'efficienza degli avvolgimenti del trasformatore. I trasformatori BESS adottano speciali metodi di connessione dell'avvolgimento (come la connessione a triangolo) e una tecnologia di schermatura per sopprimere efficacemente le armoniche caratteristiche come la 3a e la 5a armonica, ridurre l'impatto delle interferenze armoniche sul sistema e garantire il funzionamento stabile del sistema di accumulo dell'energia e della rete elettrica.
1.5 Ottimizzazione dell'efficienza e riduzione delle perdite energetiche
I trasformatori sono uno dei principali componenti-che consumano energia nel BESS e la loro perdita di energia (incluse le perdite in assenza di carico e in assenza di carico) influisce direttamente sull'efficienza complessiva del sistema di accumulo dell'energia. I trasformatori BESS ad alta-efficienza possono ridurre la perdita di energia attraverso la selezione ottimizzata dei materiali del nucleo, il miglioramento del processo di avvolgimento e la progettazione a bassa-impedenza, migliorando così i vantaggi economici dei progetti di stoccaggio dell'energia. Si stima che per un trasformatore di tipo secco da 35 kV e 3.150 kVA-, il risparmio energetico annuale di un trasformatore di efficienza energetica di Classe 1 può raggiungere circa 14.000 kWh rispetto a un trasformatore di efficienza energetica di Classe 3.
2. Caratteristiche tecniche e classificazione dei trasformatori BESS
Rispetto ai trasformatori di potenza tradizionali, i trasformatori BESS devono affrontare condizioni operative più severe: frequenti cambi di carico, flusso di potenza bidirezionale, elevato contenuto armonico e severi requisiti di sicurezza. Hanno quindi caratteristiche tecniche uniche e sono classificati in diverse tipologie a seconda degli scenari applicativi e degli standard progettuali.
2.1 Caratteristiche tecniche principali
Elevata adattabilità ai cicli: BESS deve completare più cicli di carica-scarica ogni giorno e il trasformatore deve resistere a frequenti mutazioni di carico e fluttuazioni di corrente senza degrado delle prestazioni. Grazie alla selezione di lamiere di acciaio al silicio di alta-qualità e alla struttura di avvolgimento ottimizzata, può adattarsi a operazioni di ciclo-alti a lungo termine, con una durata di servizio fino a 60 anni con una manutenzione ragionevole.
Forte resistenza armonica: come accennato in precedenza, il trasformatore adotta un design strutturale speciale e una selezione dei materiali per sopprimere l'inquinamento armonico, ridurre il riscaldamento degli avvolgimenti e l'invecchiamento dell'isolamento causato dalle armoniche e garantire un funzionamento stabile in ambienti ad alto contenuto armonico[7].
Elevata capacità di resistenza al cortocircuito-: durante il processo di connessione e funzionamento della rete, BESS potrebbe riscontrare improvvisi guasti di cortocircuito-. Il trasformatore deve avere una forte resistenza meccanica e stabilità elettrica per resistere all'impatto della corrente di cortocircuito-senza deformazioni o danni, garantendo la sicurezza dell'intero sistema.
Regolazione flessibile della tensione: in risposta alla fluttuazione della tensione della rete elettrica e al cambiamento di tensione della batteria durante la carica-scarica, il trasformatore è dotato di un meccanismo flessibile di regolazione della tensione (come il-commutatore sotto carico-) per regolare la tensione di uscita in tempo reale, garantendo la stabilità della trasmissione di energia.
Adattabilità ambientale: BESS è ampiamente utilizzato in ambienti esterni, parchi industriali e altri scenari. Il trasformatore deve avere una buona adattabilità ambientale, come resistenza alle alte temperature, resistenza all'umidità, resistenza alla polvere, ecc. Ad esempio, in aree ad alta-temperatura e alta-umidità come Dongguan, i trasformatori sono dotati di interfacce di raffreddamento ad aria forzata e sistemi di controllo intelligente della temperatura per ridurre l'aumento di temperatura e migliorare la capacità di carico[7].
2.2 Classificazione Principale
In base al metodo di raffreddamento, al modulo di installazione e allo scenario applicativo, la trasformazione BESSgli operatori possono essere suddivisi nelle seguenti categorie:
Trasformatori di tipo-a secco e-immersi in olio: a causa dei requisiti di sicurezza antincendio dei progetti di stoccaggio dell'energia con batterie agli ioni di litio-, i trasformatori di tipo-a secco vengono generalmente utilizzati nei progetti domestici perché sono privi di olio-e offrono una maggiore sicurezza. Tuttavia, i trasformatori immersi in olio-presentano vantaggi in termini di costi, consumo energetico e adattabilità ambientale e possono essere selezionati anche quando vengono soddisfatti i requisiti di protezione antincendio. I trasformatori di tipo-a secco sono ampiamente utilizzati nelle stazioni di accumulo di energia per interni e in progetti di stoccaggio di energia industriali e commerciali, mentre i trasformatori-immersi in olio sono più adatti per progetti di stoccaggio di energia lato-su larga scala di servizi di pubblica utilità all'aperto-.
Trasformatori montati su pad-e per interni: i trasformatori montati su pad-sono di piccole dimensioni, facili da installare e adatti a progetti di stoccaggio distribuito dell'energia (come parchi industriali e commerciali, aree residenziali) con spazio limitato; i trasformatori per interni sono utilizzati principalmente nelle stazioni di accumulo di energia per interni, con migliori prestazioni di protezione e adatti ad ambienti esterni difficili.
Trasformatori di isolamento e trasformatori step-up/step-down: i trasformatori di isolamento si concentrano sulla fornitura di isolamento galvanico per proteggere i componenti del sistema, che sono ampiamente utilizzati in scenari con elevati requisiti di sicurezza; I trasformatori step-up/step-down sono le apparecchiature principali per la conversione della tensione, suddivisi in trasformatori step-up (per la connessione alla rete dei sistemi di accumulo dell'energia) e trasformatori step-down (per la ricarica dei sistemi di accumulo dell'energia) in base alla direzione della conversione della tensione.
3. Pratiche applicative dei trasformatori BESS
Con il rapido sviluppo del settore dello stoccaggio dell'energia, i trasformatori BESS sono stati ampiamente utilizzati in progetti di stoccaggio dell'energia distribuito sul lato dei servizi pubblici, industriali e commerciali e su quelli distribuiti e hanno formato soluzioni applicative mature per diversi scenari. Di seguito vengono combinati casi tipici per elaborare le loro caratteristiche applicative.
3.1 Progetti di stoccaggio energetico su scala-di utilità
I progetti di stoccaggio dell'energia su scala-di pubblica utilità hanno le caratteristiche di grande capacità, elevata potenza e connessione diretta alla rete, che impongono requisiti elevati in termini di efficienza, stabilità e livello di tensione dei trasformatori. Generalmente, i trasformatori elevatori-di tipo -a bagno d'olio o a secco ad alta efficienza vengono utilizzati per convertire l'uscita CA a bassa-tensione del PCS in media e alta tensione (10 kV–35 kV o superiore) e integrarla nella rete di trasmissione e distribuzione. Ad esempio, nei progetti complementari di stoccaggio-su larga scala eolico-solare-, i trasformatori devono adattarsi alle caratteristiche intermittenti e fluttuanti dell'energia eolica e solare, realizzare bidigestione razionale del flusso di energia e garantire la stabilità della rete elettrica. Allo stesso tempo, devono soddisfare gli standard pertinenti di IEC, IEEE o UL per garantire un funzionamento affidabile a lungo termine.
3.2 Progetti di stoccaggio energetico industriale e commerciale
I progetti di stoccaggio dell'energia industriale e commerciale vengono utilizzati principalmente per il peak shaving, il riempimento delle valli e l'alimentazione di emergenza, con frequenti cicli di carica-scarica ed elevati requisiti di velocità di risposta e resistenza armonica dei trasformatori. Il progetto di accumulo di energia da 250 KVA di Dongguan Machong è un caso tipico: il progetto utilizza uno speciale trasformatore di accumulo di energia da 250 KVA con conversione di tensione da 800 V a 400 V, che ottimizza il design dell'avvolgimento per adattarsi al flusso di energia bidirezionale, adotta una speciale tecnologia di schermatura per sopprimere le armoniche e realizza una risposta di tensione a livello di millisecondi-attraverso un design a bassa-impedenza, adattandosi perfettamente alle esigenze di regolazione rapida del sistema di accumulo di energia. Inoltre, il trasformatore è dotato di un sistema di controllo intelligente della temperatura per adattarsi al clima ad alta-temperatura e ad alta-umidità di Dongguan, riducendo l'aumento della temperatura di oltre 10K e garantendo il massimo vantaggio di stoccaggio dell'energia.
3.3 Progetti di stoccaggio distribuito dell'energia
I progetti di stoccaggio distribuito dell'energia (come aree residenziali, piccoli parchi industriali) hanno capacità ridotta, occupazione di spazio ridotta ed elevati requisiti di miniaturizzazione e flessibilità dei trasformatori. Generalmente vengono utilizzati trasformatori di tipo-montati a secco- o piccoli trasformatori di isolamento, che hanno le caratteristiche di dimensioni ridotte, facilità di installazione e basso rumore. Allo stesso tempo, devono adattarsi alle fluttuazioni di tensione della rete di distribuzione e alle frequenti operazioni di carica-scarica di piccoli sistemi di accumulo di energia, garantendo la sicurezza e la stabilità dell'alimentazione elettrica locale. Ad esempio, nei sistemi di accumulo dell’energia domestica, vengono utilizzati piccoli trasformatori di isolamento per isolare il sistema di batterie dalla rete elettrica domestica, evitando che guasti possano compromettere la sicurezza dell’uso domestico dell’elettricità.
3.4 Applicazione di architettura di integrazione innovativa
Negli ultimi anni, con lo sviluppo della tecnologia dei trasformatori intelligenti, è emersa un'architettura innovativa che integra BESS nei trasformatori intelligenti. Questa architettura utilizza un convertitore CC-CC a sorgente di corrente di tipo quattro-attivo-ponte (CF-QAB)-come nucleo e aggiunge una porta al livello CC-CC isolato del trasformatore intelligente per realizzare l'integrazione diretta di BESS senza convertitori aggiuntivi. Rispetto allo schema di integrazione tradizionale, questa architettura riduce il numero di dispositivi di circa il 20% e l'efficienza del convertitore raggiunge il 98,12%, un valore significativamente superiore rispetto allo schema tradizionale. La verifica sperimentale mostra che quando la tensione della batteria cambia, la tensione sul lato a bassa-tensione può essere mantenuta stabile e la potenza di trasmissione totale può essere regolata dinamicamente senza fluttuazioni, fornendo un nuovo percorso tecnico per l'integrazione efficiente di BESS e trasformatori.
4. Criteri chiave di selezione e requisiti tecnici per i trasformatori BESS
La scelta dei trasformatori BESS influisce direttamente sull'efficienza, sulla sicurezza e sui vantaggi economici dell'intero sistema di accumulo dell'energia. È necessario considerare in modo esaustivo fattori quali la capacità del sistema, il grado di tensione, le condizioni operative e i requisiti di sicurezza e seguire i seguenti criteri di selezione chiave e requisiti tecnici.
4.1 Abbinamento della capacità
La capacità nominale del trasformatore deve corrispondere alla potenza nominale del PCS e, allo stesso tempo, devono essere considerati i requisiti di perdita di potenza ausiliaria e di funzionamento in sovraccarico. In genere, non dovrebbe essere inferiore a 1,05 volte la potenza nominale del PCS collegato per garantire il funzionamento sicuro a lungo termine del trasformatore. Va notato che ridurre ciecamente la capacità del trasformatore per ridurre i costi porterà a un margine operativo insufficiente e influenzerà la stabilità del sistema. Ad esempio, in alcuni progetti di stoccaggio centralizzato dell'energia, la scelta di un trasformatore con capacità insufficiente porterà al surriscaldamento e all'invecchiamento del trasformatore durante il funzionamento a lungo-termine, riducendone la durata.
4.2 Livello di efficienza energetica
Il livello di efficienza energetica del trasformatore influisce direttamente sulla perdita di energia e sui costi operativi del sistema di accumulo dell'energia. La norma nazionale "Limite di efficienza energetica e livello di efficienza energetica dei trasformatori di potenza" divide l'efficienza energetica in tre livelli, tra i quali il Livello 1 ha la massima efficienza energetica. Quando si seleziona, è necessario confrontare in modo completo l'economia e l'efficienza e selezionare trasformatori che soddisfino i pertinenti standard di efficienza energetica. Per progetti di stoccaggio dell'energia su larga scala-con tempi di funzionamento lunghi, la scelta di trasformatori di efficienza energetica di livello 1 può far risparmiare molti costi dell'elettricità nell'intero ciclo di vita.
4.3 Selezione del metodo di raffreddamento
La scelta del metodo di raffreddamento dovrebbe basarsi sullo scenario applicativo e sui requisiti di sicurezza. Nelle stazioni di accumulo di energia interne e nei progetti di stoccaggio dell'energia con batterie agli ioni di litio, i trasformatori di tipo a secco dovrebbero essere preferiti per la loro buona sicurezza e per l'assenza di rischio di incendio ed esplosione. Nei progetti di stoccaggio energetico su larga scala-all'aperto, i trasformatori- immersi in olio possono essere selezionati quando vengono soddisfatti i requisiti di protezione antincendio, sfruttando il basso consumo energetico e il basso costo. Allo stesso tempo, le misure di raffreddamento corrispondenti (come il raffreddamento ad aria forzata, il raffreddamento forzato dell'olio) dovrebbero essere configurate in base all'ambiente operativo per garantire che il trasformatore funzioni entro l'intervallo di temperature consentito.
4.4 Corrispondenza dei parametri chiave
Oltre alla capacità e all'efficienza energetica, la scelta dei trasformatori deve considerare anche la corrispondenza di parametri chiave quali tensione nominale, impedenza di corto-circuito, intervallo di derivazione e gruppo di connessione. Ad esempio, la tensione nominale sul lato bassa-tensione del trasformatore deve corrispondere alla tensione nominale sul lato CA del PCS e la tensione nominale sul lato alta-tensione deve corrispondere alla tensione sul lato bassa-tensione del trasformatore principale; il gruppo di connessione adotta solitamente la modalità di connessione Dy11 per adattarsi al flusso di energia bidirezionale e ai requisiti di soppressione delle armoniche di BESS.
4.5 Sicurezza e affidabilità
Il trasformatore deve avere prestazioni di isolamento affidabili, capacità di resistenza al corto-circuito e funzione di protezione da sovratensione per adattarsi al difficile ambiente operativo di BESS. Ad esempio, il livello di isolamento dovrebbe soddisfare i requisiti della tensione operativa e l'avvolgimento dovrebbe essere trattato con isolamento per prevenire l'invecchiamento e la rottura dell'isolamento; il trasformatore deve essere dotato di monitoraggio della temperatura, protezione da sovracorrente e altri dispositivi per rilevare e gestire tempestivamente i guasti, garantendo la sicurezza del sistema.
5. Tendenze di sviluppo futuro
Con la continua espansione della scala di BESS e il continuo miglioramento dei requisiti tecnici, i trasformatori per BESS si trovano ad affrontare nuove sfide, mostrando anche una chiara tendenza di sviluppo verso l'alta efficienza, l'intelligenza, l'integrazione e la miniaturizzazione.
5.2 Tendenze di sviluppo futuro
Alta efficienza e basse perdite: con il continuo miglioramento degli standard di efficienza energetica, la ricerca e lo sviluppo di trasformatori ad alta-efficienza diventeranno il focus. Adottando nuovi materiali di base (come la lega amorfa), ottimizzando la struttura dell'avvolgimento e migliorando i processi di produzione, le perdite a vuoto e a carico dei trasformatori saranno ulteriormente ridotte e l'efficienza complessiva del BESS sarà migliorata.
Aggiornamento intelligente: i trasformatori BESS saranno integrati con tecnologie intelligenti come Internet of Things (IoT), big data e intelligenza artificiale. Attraverso il monitoraggio in tempo reale-dei parametri operativi del trasformatore (temperatura, corrente, tensione, ecc.), verranno realizzate la manutenzione predittiva e la diagnosi dei guasti, riducendo i costi di manutenzione e migliorando l'affidabilità del sistema. Allo stesso tempo, realizzerà un’interazione intelligente con PCS e reti intelligenti, migliorando la flessibilità e la controllabilità dei sistemi di stoccaggio dell’energia.
Integrazione e miniaturizzazione: l'integrazione di trasformatori e PCS diventerà una nuova tendenza, riducendo il volume e il peso del sistema, semplificando il processo di installazione e riducendo il costo dell'intero sistema di accumulo dell'energia. Ad esempio, l’innovativa architettura integrata di trasformatori intelligenti e BESS può ridurre il numero di dispositivi e migliorare l’efficienza dell’integrazione. Allo stesso tempo, il progetto di miniaturizzazione renderà i trasformatori più adatti a scenari di stoccaggio distribuito dell’energia con spazio limitato.
Personalizzazione e diversificazione: con la diversificazione degli scenari applicativi BESS (lato-di utilità, lato industriale e commerciale-distribuito), la domanda di trasformatori personalizzati aumenterà. I trasformatori saranno progettati in base alle esigenze specifiche dei diversi progetti, come grado di tensione, capacità, ambiente operativo e requisiti di sicurezza, per migliorare l'adattabilità e l'economia del sistema.
Verde e a basso-carbonio: nel contesto della strategia "dual carbon", la trasformazione verde e a basso-carbonio dei trasformatori sarà accelerata. L'uso di materiali rispettosi dell'ambiente (come materiali isolanti non-tossici e degradabili) e l'ottimizzazione della progettazione a risparmio energetico-ridurranno l'impatto ambientale dei trasformatori, realizzando lo sviluppo ecologico dell'intero settore dello stoccaggio dell'energia.
6. Conclusione
In quanto componente principale dell'interfaccia dei sistemi di accumulo dell'energia a batteria, i trasformatori svolgono i compiti chiave di conversione della tensione, gestione bidirezionale del flusso di potenza, protezione della sicurezza e ottimizzazione dell'efficienza, che sono cruciali per il funzionamento stabile, efficiente e sicuro di BESS. Con il rapido sviluppo del settore dello stoccaggio dell'energia, i requisiti tecnici per i trasformatori BESS sono in costante miglioramento e i trasformatori si stanno sviluppando verso alta efficienza, intelligenza, integrazione e miniaturizzazione.
In futuro, con la continua innovazione di nuovi materiali, nuove tecnologie e nuove architetture, i trasformatori BESS si adatteranno meglio alle esigenze di sviluppo di sistemi di stoccaggio dell'energia su larga-scala, intelligenti ed ecologici, forniranno un supporto più forte per l'integrazione dell'energia rinnovabile e la costruzione di reti intelligenti e forniranno importanti contributi alla trasformazione energetica globale e alla realizzazione dell'obiettivo del "doppio carbonio". Per i progettisti, gli operatori e i produttori di apparecchiature di stoccaggio dell’energia, è necessario prestare la massima attenzione alla selezione e all’applicazione dei trasformatori e promuovere lo sviluppo sano e sostenibile del settore dello stoccaggio dell’energia attraverso la progettazione scientifica, la selezione razionale e il funzionamento intelligente.
