Com o rápido avanço da integração das energias renováveis e o aprofundamento da estratégia global de "carbono duplo", os Sistemas de Armazenamento de Energia em Baterias (BESS) tornaram-se o principal suporte para os sistemas de energia modernos, realizando tarefas críticas como redução de picos, preenchimento de vales, regulação de frequência e compensação de flutuação de energia renovável. No centro da cadeia de conversão e transmissão de energia do BESS está um componente-chave-o transformador. Ao contrário dos transformadores de potência tradicionais, os transformadores para BESS são projetados para se adaptarem ao fluxo de energia bidirecional, aos ciclos frequentes de carga-de descarga e às características de alta interferência harmônica dos sistemas de armazenamento de energia, servindo como "ponte" entre os módulos de bateria, os sistemas de conversão de energia (PCS) e a rede elétrica. Este artigo elabora sistematicamente a função, as características técnicas, as práticas de aplicação, os principais critérios de seleção e as tendências futuras de desenvolvimento dos transformadores no BESS, fornecendo uma referência abrangente para o projeto, operação e otimização de projetos de armazenamento de energia.
1. O papel central dos transformadores em sistemas de armazenamento de energia de baterias
Os sistemas de armazenamento de energia de baterias funcionam com base na conversão cíclica de energia elétrica: durante a fase de carregamento, a rede ou fontes de energia renováveis fornecem energia para carregar os módulos de bateria (convertidos de CA em CC pelo PCS); durante a fase de descarga, a energia CC armazenada nas baterias é convertida de volta em CA pelo PCS e alimentada na rede ou fornecida à carga. Os transformadores, como equipamento de interface central, desempenham cinco funções essenciais indispensáveis neste processo, determinando diretamente a eficiência, estabilidade e segurança de todo o BESS.
1.1 Transformação e correspondência de tensão
Os módulos de bateria no BESS geralmente produzem energia CC de baixa-tensão, que é convertida em CA de baixa-tensão (normalmente 480V–690V) pelo PCS após a inversão. No entanto, a rede elétrica geralmente opera em níveis de tensão média ou alta (como 10kV, 35kV ou superior) para transmissão eficiente-de longa distância. O transformador realiza o aumento-da baixa-tensão CA para a tensão do nível da rede-durante a descarga, e a redução-da tensão da rede para a baixa tensão adaptável do PCS-durante o carregamento, garantindo uma correspondência perfeita entre o sistema de armazenamento de energia e o grau de tensão da rede[6]. Por exemplo, no projeto de armazenamento de energia de 250 KVA de Dongguan, o transformador realiza a conversão de tensão de 800 V para 400 V, atendendo à demanda de integração do sistema de armazenamento de energia na rede de distribuição de baixa tensão da fábrica.
1.2 Gerenciamento de fluxo de potência bidirecional
Ao contrário dos transformadores tradicionais que lidam apenas com fluxo de energia unidirecional, os transformadores BESS devem se adaptar às características do fluxo bidirecional de energia durante a carga e a descarga. Através do design otimizado do enrolamento e da configuração do circuito magnético, eles garantem alta eficiência e baixas perdas em ambos os modos de trabalho, evitando desperdício de energia causado por gargalos de design unidirecional. Esta adaptabilidade bidirecional é a principal diferença entre os transformadores BESS e os transformadores de potência convencionais, e é também uma garantia importante para a operação flexível dos sistemas de armazenamento de energia.
1.3 Isolamento Galvânico e Proteção de Segurança
O BESS envolve conversão de energia elétrica de alta-potência, e o risco de falhas como sobretensão, curto-circuito e interferência harmônica é relativamente alto. Os transformadores fornecem isolamento galvânico eficaz entre o sistema de bateria, PCS e a rede, evitando que falhas de um lado se espalhem para o outro e protegendo a segurança dos componentes principais, como módulos de bateria e PCS. Por exemplo, em projetos de armazenamento de energia de baterias de íons de lítio, a proteção de isolamento pode efetivamente evitar o risco de incêndio e explosão causado por falhas no lado da rede que afetam o conjunto de baterias, melhorando a segurança geral do sistema.
1.4 Mitigação Harmônica e Melhoria da Estabilidade
O PCS no BESS gerará um grande número de harmônicos de{0}}ordem alta durante a operação, o que não apenas poluirá a rede elétrica, mas também causará superaquecimento, envelhecimento e redução da eficiência dos enrolamentos do transformador. Os transformadores BESS adotam métodos especiais de conexão de enrolamento (como conexão delta) e tecnologia de blindagem para suprimir efetivamente harmônicos característicos, como 3º e 5º harmônicos, reduzir o impacto da interferência harmônica no sistema e garantir a operação estável do sistema de armazenamento de energia e da rede elétrica.
1.5 Otimização de Eficiência e Redução de Perdas de Energia
Os transformadores são um dos principais componentes-que consomem energia no BESS, e sua perda de energia (incluindo perda sem{1}}carga e perda de carga) afeta diretamente a eficiência abrangente do sistema de armazenamento de energia. Os transformadores BESS de alta-eficiência podem reduzir a perda de energia por meio da seleção otimizada do material do núcleo, da melhoria do processo de enrolamento e do projeto de baixa-impedância, melhorando assim os benefícios econômicos dos projetos de armazenamento de energia. Estima-se que para um transformador do tipo-seco de 35kV e 3150kVA, a economia anual de energia de um transformador de eficiência energética Classe 1 pode chegar a cerca de 14.000 kWh em comparação com um transformador de eficiência energética Classe 3.
2. Características Técnicas e Classificação dos Transformadores BESS
Em comparação com os transformadores de potência tradicionais, os transformadores BESS enfrentam condições operacionais mais severas: mudanças frequentes de carga, fluxo de potência bidirecional, alto conteúdo harmônico e requisitos de segurança rigorosos. Portanto, possuem características técnicas únicas e são classificados em diferentes tipos de acordo com cenários de aplicação e padrões de projeto.
2.1 Principais Características Técnicas
Alta adaptabilidade de ciclos: o BESS precisa completar vários ciclos de carga-de descarga todos os dias, e o transformador deve suportar mutações de carga frequentes e flutuações de corrente sem degradação do desempenho. Através da seleção de chapas de aço silício de alta{2}}qualidade e estrutura de enrolamento otimizada, ele pode se adaptar à operação de longo-alto ciclo-de longo prazo, com uma vida útil de até 60 anos sob manutenção razoável.
Forte resistência harmônica: Como mencionado anteriormente, o transformador adota um projeto estrutural especial e seleção de materiais para suprimir a poluição harmônica, reduzir o aquecimento do enrolamento e o envelhecimento do isolamento causado por harmônicos e garantir uma operação estável em ambiente de alto harmônico [7].
Alta capacidade de resistência a-curtos-circuitos: no processo de conexão e operação da rede, o BESS pode encontrar falhas repentinas-de curto-circuito. O transformador precisa ter forte resistência mecânica e estabilidade elétrica para suportar o impacto da corrente de curto-circuito sem deformação ou danos, garantindo a segurança de todo o sistema.
Regulação de tensão flexível: em resposta à flutuação de tensão da rede elétrica e à mudança de tensão da bateria durante a carga-descarga, o transformador é equipado com um mecanismo de regulação de tensão flexível (como um comutador-em carga-) para ajustar a tensão de saída em tempo real, garantindo a estabilidade da transmissão de energia.
Adaptabilidade ambiental: O BESS é amplamente utilizado em parques industriais, externos e outros cenários. O transformador precisa ter boa adaptabilidade ambiental, como resistência a altas temperaturas, resistência à umidade, resistência à poeira, etc. Por exemplo, em áreas de alta-temperatura e alta{3}}umidade, como Dongguan, os transformadores são equipados com interfaces de resfriamento de ar forçado e sistemas inteligentes de controle de temperatura para reduzir o aumento de temperatura e melhorar a capacidade de carga[7].
2.2 Classificação Principal
De acordo com o método de resfriamento, forma de instalação e cenário de aplicação, o BESS transformapodem ser divididos nas seguintes categorias:
Transformadores imersos-do tipo seco e-em óleo: devido aos requisitos de segurança contra incêndio dos projetos de armazenamento de energia de baterias de-íon de lítio, os transformadores-do tipo seco são geralmente usados em projetos domésticos porque não contêm óleo-e têm melhor segurança. No entanto, os transformadores-imersos em óleo apresentam vantagens em termos de custo, consumo de energia e adaptabilidade ambiental, e também podem ser selecionados quando os requisitos de proteção contra incêndio são atendidos. Os transformadores-secos são amplamente usados em estações internas de armazenamento de energia e em projetos de armazenamento de energia industrial e comercial, enquanto os transformadores-imersos em óleo são mais adequados para projetos de armazenamento de energia em grande-escala externa-de serviços públicos.
Transformadores-montados e internos: os transformadores{1}}montados em almofada são pequenos, fáceis de instalar e adequados para projetos de armazenamento de energia distribuída (como parques industriais e comerciais, áreas residenciais) com espaço limitado; transformadores internos são usados principalmente em estações internas de armazenamento de energia, com melhor desempenho de proteção e adequados para ambientes externos agressivos.
Transformadores de isolamento e transformadores ascendentes/descendentes-: os transformadores de isolamento concentram-se em fornecer isolamento galvânico para proteger os componentes do sistema, que são amplamente utilizados em cenários com altos requisitos de segurança; Os transformadores elevadores-aumentadores/redutores-redutores são os principais equipamentos para conversão de tensão, que são divididos em transformadores elevadores-(para conexão à rede de sistemas de armazenamento de energia) e transformadores-abaixadores (para carregamento de sistemas de armazenamento de energia) de acordo com a direção da conversão de tensão.
3. Práticas de Aplicação de Transformadores BESS
Com o rápido desenvolvimento da indústria de armazenamento de energia, os transformadores BESS têm sido amplamente utilizados em projetos de armazenamento de energia distribuída,-do lado industrial e comercial-e de serviços públicos, e formaram soluções de aplicativos maduras para diferentes cenários. O seguinte combina casos típicos para elaborar suas características de aplicação.
3.1 Projetos de armazenamento de energia em-escala de serviços públicos
Projetos-de armazenamento de energia em escala de serviços públicos têm as características de grande capacidade, alta potência e conexão direta à rede, que exigem altos requisitos de eficiência, estabilidade e grau de tensão dos transformadores. Geralmente, transformadores elevadores-de óleo-imersos ou secos-de alta eficiência são usados para converter a saída CA de baixa-tensão do PCS para média e alta tensão (10kV–35kV ou superior) e integrá-la à rede de transmissão e distribuição. Por exemplo, em projetos complementares de armazenamento-eólico-solar-em larga escala, os transformadores precisam se adaptar às características intermitentes e flutuantes da energia eólica e solar, realizar bidigerenciamento do fluxo de energia recional e garantir a estabilidade da rede elétrica. Ao mesmo tempo, eles precisam atender aos padrões relevantes da IEC, IEEE ou UL para garantir uma operação confiável-de longo prazo.
3.2 Projetos de Armazenamento de Energia Industrial e Comercial
Os projetos de armazenamento de energia industrial e comercial são usados principalmente para redução de picos, preenchimento de vales e fornecimento de energia de emergência, com ciclos de carga-descarga frequentes e altos requisitos de velocidade de resposta e resistência harmônica dos transformadores. O projeto de armazenamento de energia Dongguan Machong 250KVA é um caso típico: o projeto usa um transformador especial de armazenamento de energia de 250KVA com conversão de tensão de 800V a 400V, que otimiza o design do enrolamento para se adaptar ao fluxo de energia bidirecional, adota tecnologia de blindagem especial para suprimir harmônicos e realiza resposta de tensão de nível de milissegundos-por meio de design de baixa-impedância, combinando perfeitamente com as necessidades de ajuste rápido do sistema de armazenamento de energia. Além disso, o transformador está equipado com um sistema inteligente de controle de temperatura para se adaptar ao clima de alta-temperatura e{10}}umidade em Dongguan, reduzindo o aumento de temperatura em mais de 10K e garantindo o máximo benefício de armazenamento de energia.
3.3 Projetos de armazenamento distribuído de energia
Projetos de armazenamento distribuído de energia (como áreas residenciais, pequenos parques industriais) têm pequena capacidade, pequena ocupação de espaço e altos requisitos de miniaturização e flexibilidade dos transformadores. Geralmente, são usados transformadores do tipo-secos-montados em bloco ou pequenos transformadores de isolamento, que possuem as características de tamanho pequeno, fácil instalação e baixo ruído. Ao mesmo tempo, eles precisam se adaptar à flutuação de tensão da rede de distribuição e à frequente carga-descarga de pequenos sistemas de armazenamento de energia, garantindo a segurança e a estabilidade do fornecimento de energia local. Por exemplo, em sistemas domésticos de armazenamento de energia, pequenos transformadores de isolamento são utilizados para isolar o sistema de baterias da rede eléctrica doméstica, evitando que falhas afectem a segurança da utilização da electricidade doméstica.
3.4 Aplicação de Arquitetura de Integração Inovadora
Nos últimos anos, com o desenvolvimento da tecnologia de transformadores inteligentes, surgiu uma arquitetura inovadora que integra BESS em transformadores inteligentes. Essa arquitetura usa um conversor DC-DC de fonte de corrente-tipo quatro-ativa-ponte (CF-QAB)-DC como núcleo e adiciona uma porta no nível DC-DC isolado do transformador inteligente para realizar a integração direta do BESS sem conversores adicionais. Comparada com o esquema de integração tradicional, esta arquitetura reduz o número de dispositivos em cerca de 20%, e a eficiência do conversor chega a 98,12%, o que é significativamente superior ao esquema tradicional. A verificação experimental mostra que quando a tensão da bateria muda, a tensão do lado de baixa tensão pode ser mantida de forma estável e a potência total de transmissão pode ser ajustada dinamicamente sem flutuação, fornecendo um novo caminho técnico para a integração eficiente de BESS e transformadores.
4. Principais critérios de seleção e requisitos técnicos para transformadores BESS
A seleção dos transformadores BESS afeta diretamente a eficiência, a segurança e os benefícios económicos de todo o sistema de armazenamento de energia. É necessário considerar de forma abrangente fatores como capacidade do sistema, grau de tensão, condições de operação e requisitos de segurança, e seguir os seguintes critérios de seleção e requisitos técnicos principais.
4.1 Correspondência de Capacidade
A capacidade nominal do transformador deve corresponder à potência nominal do PCS e, ao mesmo tempo, os requisitos de perda de potência auxiliar e operação de sobrecarga devem ser considerados. Geralmente, não deve ser inferior a 1,05 vezes a potência nominal do PCS conectado para garantir a operação segura-de longo prazo do transformador. Deve-se notar que a redução cega da capacidade do transformador para reduzir custos levará a uma margem operacional insuficiente e afetará a estabilidade do sistema. Por exemplo, em alguns projetos centralizados de armazenamento de energia, a escolha de um transformador com capacidade insuficiente levará ao superaquecimento e ao envelhecimento do transformador durante a operação-de longo prazo, reduzindo sua vida útil.
4.2 Nível de Eficiência Energética
O nível de eficiência energética do transformador afeta diretamente a perda de energia e o custo operacional do sistema de armazenamento de energia. A norma nacional “Limite de Eficiência Energética e Nível de Eficiência Energética de Transformadores de Potência” divide a eficiência energética em três níveis, entre os quais o Nível 1 apresenta a maior eficiência energética. Ao selecionar, é necessário comparar de forma abrangente a economia e a eficiência e selecionar transformadores que atendam aos padrões relevantes de eficiência energética. Para projetos de armazenamento de energia em grande-escala com longo tempo de operação, selecionar transformadores de eficiência energética de nível 1 pode economizar muitos custos de eletricidade em todo o ciclo de vida.
4.3 Seleção do Método de Resfriamento
A seleção do método de resfriamento deve ser baseada no cenário de aplicação e nos requisitos de segurança. Em estações internas de armazenamento de energia e projetos de armazenamento de energia com baterias de íons de lítio, os transformadores do tipo seco devem ser preferidos devido à sua boa segurança e sem risco de incêndio e explosão. Em projetos externos de armazenamento de energia em grande-escala, os transformadores-imersos em óleo podem ser selecionados quando os requisitos de proteção contra incêndio são atendidos, aproveitando seu baixo consumo de energia e baixo custo. Ao mesmo tempo, as medidas de resfriamento correspondentes (como resfriamento de ar forçado, resfriamento de óleo forçado) devem ser configuradas de acordo com o ambiente operacional para garantir que o transformador opere dentro da faixa de temperatura permitida.
4.4 Correspondência de parâmetros-chave
Além da capacidade e da eficiência energética, a seleção de transformadores também precisa considerar a correspondência de parâmetros importantes, como tensão nominal, impedância de-curto-circuito, faixa de derivação e grupo de conexão. Por exemplo, a tensão nominal no lado de baixa-tensão do transformador deve corresponder à tensão nominal no lado CA do PCS, e a tensão nominal no lado de alta-tensão deve corresponder à tensão no lado de baixa-tensão do transformador principal; o grupo de conexão geralmente adota o modo de conexão Dy11 para se adaptar ao fluxo de energia bidirecional e aos requisitos de supressão de harmônicos do BESS.
4.5 Segurança e Confiabilidade
O transformador deve ter desempenho de isolamento confiável, capacidade de resistência a curtos-circuitos e função de proteção contra sobretensão para se adaptar ao ambiente operacional rigoroso do BESS. Por exemplo, o nível de isolamento deve atender aos requisitos da tensão operacional e o enrolamento deve ser tratado com isolamento para evitar envelhecimento e quebra do isolamento; o transformador deve ser equipado com monitoramento de temperatura, proteção contra sobrecorrente e outros dispositivos para detectar e tratar falhas em tempo hábil, garantindo a segurança do sistema.
5. Tendências de Desenvolvimento Futuro
Com a expansão contínua da escala do BESS e a melhoria contínua dos requisitos técnicos, os transformadores para BESS enfrentam novos desafios, ao mesmo tempo que mostram uma clara tendência de desenvolvimento para alta eficiência, inteligência, integração e miniaturização.
5.2 Tendências Futuras de Desenvolvimento
Alta eficiência e baixas perdas: com a melhoria contínua dos padrões de eficiência energética, a pesquisa e o desenvolvimento de transformadores de alta-eficiência se tornarão o foco. Ao adotar novos materiais de núcleo (como liga amorfa), otimizar a estrutura do enrolamento e melhorar os processos de fabricação, a perda sem carga e a perda de carga dos transformadores serão ainda mais reduzidas e a eficiência abrangente do BESS será melhorada.
Atualização Inteligente: Os transformadores BESS serão integrados com tecnologias inteligentes como Internet das Coisas (IoT), big data e inteligência artificial. Através do monitoramento-em tempo real dos parâmetros operacionais do transformador (temperatura, corrente, tensão, etc.), a manutenção preditiva e o diagnóstico de falhas serão realizados, reduzindo custos de manutenção e melhorando a confiabilidade do sistema. Ao mesmo tempo, realizará interação inteligente com PCS e redes inteligentes, melhorando a flexibilidade e controlabilidade dos sistemas de armazenamento de energia.
Integração e Miniaturização: A integração de transformadores e PCS se tornará uma nova tendência, reduzindo o volume e peso do sistema, simplificando o processo de instalação e reduzindo o custo de todo o sistema de armazenamento de energia. Por exemplo, a arquitetura integrada inovadora de transformadores inteligentes e BESS pode reduzir o número de dispositivos e melhorar a eficiência da integração. Ao mesmo tempo, o projeto de miniaturização tornará os transformadores mais adequados para cenários de armazenamento distribuído de energia com espaço limitado.
Personalização e diversificação: com a diversificação dos cenários de aplicação do BESS (lado-utilitário, industrial e comercial-, distribuído), a demanda por transformadores personalizados aumentará. Os transformadores serão projetados de acordo com as necessidades específicas dos diferentes projetos, como grau de tensão, capacidade, ambiente operacional e requisitos de segurança, para melhorar a adaptabilidade e economia do sistema.
Verde e de baixo-carbono: No contexto da estratégia de "carbono duplo", a transformação verde e de baixo-carbono dos transformadores será acelerada. O uso de materiais ecologicamente corretos (como materiais de isolamento não-tóxicos e degradáveis) e a otimização do projeto-de economia de energia reduzirão o impacto ambiental dos transformadores, realizando o desenvolvimento verde de toda a indústria de armazenamento de energia.
6. Conclusão
Como componente central da interface dos sistemas de armazenamento de energia de bateria, os transformadores realizam as principais tarefas de conversão de tensão, gerenciamento de fluxo de energia bidirecional, proteção de segurança e otimização de eficiência, que são cruciais para a operação estável, eficiente e segura do BESS. Com o rápido desenvolvimento da indústria de armazenamento de energia, os requisitos técnicos para os transformadores BESS estão em constante melhoria e os transformadores estão evoluindo para alta eficiência, inteligência, integração e miniaturização.
No futuro, com o avanço contínuo de novos materiais, novas tecnologias e novas arquiteturas, os transformadores BESS se adaptarão melhor às necessidades de desenvolvimento de sistemas de armazenamento de energia verdes, inteligentes e em larga escala, fornecerão um suporte mais forte para a integração de energia renovável e a construção de redes inteligentes, e farão contribuições importantes para a transformação energética global e a realização do objetivo do "carbono duplo". Para projetistas de projetos de armazenamento de energia, operadores e fabricantes de equipamentos, é necessário prestar total atenção à seleção e aplicação de transformadores e promover o desenvolvimento saudável e sustentável da indústria de armazenamento de energia por meio de design científico, seleção racional e operação inteligente.