Avec l'avancement rapide de l'intégration des énergies renouvelables et l'approfondissement de la stratégie mondiale « double carbone », les systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) sont devenus le support essentiel des systèmes électriques modernes, entreprenant des tâches critiques telles que l'écrêtage des pointes, le remplissage des vallées, la régulation de fréquence et la compensation des fluctuations des énergies renouvelables. Au cœur de la chaîne de conversion et de transmission d'énergie du BESS se trouve un composant clé-le transformateur. Contrairement aux transformateurs de puissance traditionnels, les transformateurs pour BESS sont conçus pour s'adapter au flux d'énergie bidirectionnel, aux cycles de charge -décharge fréquents et aux caractéristiques d'interférence harmonique élevée des systèmes de stockage d'énergie, servant de « pont » entre les modules de batterie, les systèmes de conversion de puissance (PCS) et le réseau électrique. Cet article développe systématiquement le rôle, les caractéristiques techniques, les pratiques d'application, les critères de sélection clés et les tendances de développement futures des transformateurs dans le BESS, fournissant ainsi une référence complète pour la conception, l'exploitation et l'optimisation des projets de stockage d'énergie.
1. Le rôle essentiel des transformateurs dans les systèmes de stockage d’énergie par batterie
Les systèmes de stockage d'énergie par batterie fonctionnent sur la base de la conversion cyclique de l'énergie électrique : pendant la phase de charge, le réseau ou les sources d'énergie renouvelables fournissent de l'énergie pour charger les modules de batterie (convertie du courant alternatif en courant continu par PCS) ; pendant la phase de décharge, l'énergie CC stockée dans les batteries est reconvertie en CA par PCS et injectée dans le réseau ou fournie à la charge. Les transformateurs, en tant qu'équipement d'interface de base, remplissent cinq fonctions de base indispensables dans ce processus, déterminant directement l'efficacité, la stabilité et la sécurité de l'ensemble du BESS.
1.1 Transformation et adaptation de tension
Les modules de batterie dans BESS produisent généralement de l'énergie CC basse-tension, qui est convertie en CA basse-tension (généralement 480 V-690 V) par PCS après inversion. Cependant, le réseau électrique fonctionne généralement à des niveaux de tension moyenne ou haute (tels que 10 kV, 35 kV ou plus) pour une transmission efficace sur de longues distances. Le transformateur réalise l'augmentation de la -augmentation de la basse tension alternative-au niveau du réseau-tension pendant la décharge, et la réduction-de la tension du réseau à la basse tension adaptable PCS-pendant la charge, assurant une correspondance transparente entre le système de stockage d'énergie et le niveau de tension du réseau[6]. Par exemple, dans le projet de stockage d'énergie de 250 KVA de Dongguan, le transformateur réalise une conversion de tension de 800 V à 400 V, répondant ainsi à la demande d'intégration du système de stockage d'énergie dans le réseau de distribution basse tension-de l'usine.
1.2 Gestion du flux de puissance bidirectionnel
Contrairement aux transformateurs traditionnels qui gèrent uniquement le flux d'énergie unidirectionnel, les transformateurs BESS doivent s'adapter aux caractéristiques du flux d'énergie bidirectionnel pendant la charge et la décharge. Grâce à une conception de bobinage optimisée et à une configuration de circuit magnétique, ils garantissent un rendement élevé et de faibles pertes dans les deux modes de fonctionnement, évitant ainsi le gaspillage d'énergie causé par les goulots d'étranglement de conception unidirectionnelle. Cette adaptabilité bidirectionnelle constitue la principale différence entre les transformateurs BESS et les transformateurs de puissance conventionnels, et constitue également une garantie importante pour le fonctionnement flexible des systèmes de stockage d'énergie.
1.3 Isolation galvanique et protection de sécurité
Le BESS implique une conversion d'énergie électrique à haute-puissance, et le risque de défauts tels que les surtensions, les courts-circuits et les interférences harmoniques est relativement élevé. Les transformateurs assurent une isolation galvanique efficace entre le système de batterie, le PCS et le réseau, empêchant les défauts d'un côté de se propager à l'autre et protégeant la sécurité des composants essentiels tels que les modules de batterie et le PCS. Par exemple, dans les projets de stockage d'énergie par batterie lithium-ion, la protection d'isolation peut éviter efficacement le risque d'incendie et d'explosion provoqué par des défauts côté réseau- affectant le cluster de batteries, améliorant ainsi la sécurité globale du système.
1.4 Atténuation des harmoniques et amélioration de la stabilité
Les PCS dans BESS généreront un grand nombre d'harmoniques d'ordre élevé- pendant le fonctionnement, ce qui non seulement polluera le réseau électrique, mais entraînera également une surchauffe, un vieillissement et une réduction de l'efficacité des enroulements du transformateur. Les transformateurs BESS adoptent des méthodes de connexion d'enroulement spéciales (telles que la connexion triangle) et une technologie de blindage pour supprimer efficacement les harmoniques caractéristiques telles que les 3ème et 5ème harmoniques, réduire l'impact des interférences harmoniques sur le système et assurer le fonctionnement stable du système de stockage d'énergie et du réseau électrique.
1.5 Optimisation de l’efficacité et réduction des pertes d’énergie
Les transformateurs sont l'un des principaux composants consommateurs d'énergie-dans le BESS, et leur perte d'énergie (y compris la perte sans-charge et la perte de charge) affecte directement l'efficacité globale du système de stockage d'énergie. Les transformateurs BESS à haut-efficacité peuvent réduire les pertes d'énergie grâce à une sélection optimisée des matériaux de base, à l'amélioration du processus de bobinage et à une conception à faible-impédance, améliorant ainsi les avantages économiques des projets de stockage d'énergie. On estime que pour un transformateur de type sec -de 35 kV 3 150 kVA, l'économie d'énergie annuelle d'un transformateur à efficacité énergétique de classe 1 peut atteindre environ 14 000 kWh par rapport à un transformateur à efficacité énergétique de classe 3.
2. Caractéristiques techniques et classification des transformateurs BESS
Par rapport aux transformateurs de puissance traditionnels, les transformateurs BESS sont confrontés à des conditions de fonctionnement plus sévères : changements de charge fréquents, flux de puissance bidirectionnel, contenu harmonique élevé et exigences de sécurité strictes. Par conséquent, ils possèdent des caractéristiques techniques uniques et sont classés en différents types selon les scénarios d’application et les normes de conception.
2.1 Caractéristiques techniques de base
Adaptabilité élevée aux cycles : BESS doit effectuer plusieurs cycles de charge-décharge chaque jour, et le transformateur doit résister à de fréquentes mutations de charge et aux fluctuations de courant sans dégradation des performances. Grâce à la sélection de tôles d'acier au silicium de haute-qualité et à une structure d'enroulement optimisée, il peut s'adapter à un fonctionnement à long-cycles élevés-à long terme, avec une durée de vie allant jusqu'à 60 ans avec un entretien raisonnable.
Forte résistance harmonique : comme mentionné précédemment, le transformateur adopte une conception structurelle et une sélection de matériaux spéciales pour supprimer la pollution harmonique, réduire l'échauffement des enroulements et le vieillissement de l'isolation causé par les harmoniques et assurer un fonctionnement stable dans un environnement harmonique élevé[7].
Capacité élevée de tenue aux courts-circuits : lors du processus de connexion et d'exploitation du réseau, le BESS peut rencontrer des défauts soudains de court-circuit-. Le transformateur doit avoir une forte résistance mécanique et une forte stabilité électrique pour résister à l'impact du courant de court-circuit - sans déformation ni dommage, garantissant ainsi la sécurité de l'ensemble du système.
Régulation de tension flexible : en réponse à la fluctuation de tension du réseau électrique et au changement de tension de la batterie pendant la charge-décharge, le transformateur est équipé d'un mécanisme de régulation de tension flexible (tel qu'un-changeur de prises en charge-) pour ajuster la tension de sortie en temps réel, garantissant ainsi la stabilité de la transmission d'énergie.
Adaptabilité environnementale : BESS est largement utilisé dans les parcs extérieurs, industriels et dans d’autres scénarios. Le transformateur doit avoir une bonne adaptabilité à l'environnement, telle qu'une résistance aux températures élevées, à l'humidité, à la poussière, etc. Par exemple, dans les zones à haute -température et -humidité telles que Dongguan, les transformateurs sont équipés d'interfaces de refroidissement à air forcé et de systèmes de contrôle de température intelligents pour réduire l'augmentation de la température et améliorer la capacité de charge[7].
2.2 Classement principal
Selon la méthode de refroidissement, le formulaire d'installation et le scénario d'application, la transformation BESSLes utilisateurs peuvent être répartis dans les catégories suivantes :
Transformateurs secs-et immergés dans l'huile- : en raison des exigences de sécurité incendie des projets de stockage d'énergie par batterie lithium-ion, les transformateurs secs-de type sont généralement utilisés dans les projets domestiques car ils sont sans huile-et offrent une meilleure sécurité. Cependant, les transformateurs immergés dans l'huile présentent des avantages en termes de coût, de consommation d'énergie et d'adaptabilité environnementale, et peuvent également être sélectionnés lorsque les exigences de protection incendie sont remplies. Les transformateurs de type sec-sont largement utilisés dans les stations de stockage d'énergie intérieures et les projets de stockage d'énergie industriels et commerciaux, tandis que les transformateurs immergés dans l'huile-sont plus adaptés aux projets de stockage d'énergie extérieurs à grande échelle-côtés-de stockage d'énergie.
Transformateurs sur socle-et intérieurs : les transformateurs montés sur socle-sont de petite taille, faciles à installer et adaptés aux projets de stockage d'énergie distribué (tels que les parcs industriels et commerciaux, les zones résidentielles) avec un espace limité ; les transformateurs d'intérieur sont principalement utilisés dans les stations de stockage d'énergie intérieures, avec de meilleures performances de protection et adaptés aux environnements extérieurs difficiles.
Transformateurs d'isolement et transformateurs-montant/abaisseur- : les transformateurs d'isolement visent à fournir une isolation galvanique pour protéger les composants du système, qui sont largement utilisés dans des scénarios avec des exigences de sécurité élevées ; Les transformateurs élévateurs-montants/abaisseurs-sont l'équipement de base pour la conversion de tension, qui sont divisés en transformateurs élévateurs-(pour la connexion au réseau des systèmes de stockage d'énergie) et en transformateurs abaisseurs-(pour la charge des systèmes de stockage d'énergie) selon le sens de conversion de tension.
3. Pratiques d'application des transformateurs BESS
Avec le développement rapide de l'industrie du stockage d'énergie, les transformateurs BESS ont été largement utilisés dans les projets de stockage d'énergie distribués, industriels et commerciaux, et ont formé des solutions d'application matures pour différents scénarios. Ce qui suit combine des cas typiques pour développer leurs caractéristiques d'application.
3.1 Projets de stockage d'énergie à l'échelle des services publics
Les projets de stockage d'énergie à l'échelle des services publics présentent les caractéristiques d'une grande capacité, d'une puissance élevée et d'une connexion directe au réseau, ce qui impose des exigences élevées en matière d'efficacité, de stabilité et de qualité de tension des transformateurs. Généralement, des transformateurs élévateurs -d'huile-immergés ou secs-de type-à haut rendement sont utilisés pour convertir la sortie CA basse-tension du PCS en moyenne et haute tension (10 kV à 35 kV ou plus) et l'intégrer dans le réseau de transport et de distribution. Par exemple, dans les projets complémentaires de stockage-éolien-solaire-à grande échelle, les transformateurs doivent s'adapter aux caractéristiques intermittentes et fluctuantes de l'énergie éolienne et solaire, réaliser des bidigestion des flux d'énergie directionnels et assurer la stabilité du réseau électrique. Dans le même temps, ils doivent répondre aux normes pertinentes CEI, IEEE ou UL pour garantir un fonctionnement fiable à long terme.
3.2 Projets de stockage d'énergie industriels et commerciaux
Les projets de stockage d'énergie industriels et commerciaux sont principalement utilisés pour l'écrêtage des pointes, le remplissage des vallées et l'alimentation électrique de secours, avec des cycles de charge-décharge fréquents et des exigences élevées en matière de vitesse de réponse et de résistance harmonique des transformateurs. Le projet de stockage d'énergie Dongguan Machong 250KVA est un cas typique : le projet utilise un transformateur de stockage d'énergie spécial de 250KVA avec une conversion de tension de 800 V à 400 V, qui optimise la conception de l'enroulement pour s'adapter au flux d'énergie bidirectionnel, adopte une technologie de blindage spéciale pour supprimer les harmoniques et réalise une réponse de tension de niveau milliseconde- grâce à une conception à faible impédance-, correspondant parfaitement aux besoins d'ajustement rapide du système de stockage d'énergie. De plus, le transformateur est équipé d'un système de contrôle de température intelligent pour s'adapter au climat à haute température et à haute humidité de Dongguan, réduisant ainsi l'augmentation de la température de plus de 10 K et garantissant un avantage maximal en matière de stockage d'énergie.
3.3 Projets de stockage d'énergie distribué
Les projets de stockage d'énergie distribué (tels que les zones résidentielles, les petits parcs industriels) ont une petite capacité, un faible encombrement et des exigences élevées en matière de miniaturisation et de flexibilité des transformateurs. Généralement, des transformateurs de type sec-montés sur socle- ou de petits transformateurs d'isolement sont utilisés, qui présentent les caractéristiques d'une petite taille, d'une installation facile et d'un faible bruit. Dans le même temps, ils doivent s'adapter aux fluctuations de tension du réseau de distribution et aux fréquentes charges-décharges des petits systèmes de stockage d'énergie, garantissant ainsi la sécurité et la stabilité de l'approvisionnement électrique local. Par exemple, dans les systèmes de stockage d'énergie domestique, de petits transformateurs d'isolement sont utilisés pour isoler le système de batterie du réseau électrique domestique, empêchant ainsi les défauts d'affecter la sécurité de l'utilisation domestique de l'électricité.
3.4 Application d'architecture d'intégration innovante
Ces dernières années, avec le développement de la technologie des transformateurs intelligents, une architecture innovante intégrant le BESS dans les transformateurs intelligents a émergé. Cette architecture utilise un convertisseur CC-CC à pont actif-pont actif-de source de courant-type quatre-(CF-QAB) comme noyau, et ajoute un port au niveau CC-CC isolé du transformateur intelligent pour réaliser l'intégration directe du BESS sans convertisseurs supplémentaires. Par rapport au schéma d'intégration traditionnel, cette architecture réduit le nombre de dispositifs d'environ 20 % et l'efficacité du convertisseur atteint 98,12 %, ce qui est nettement supérieur à celui du schéma traditionnel. La vérification expérimentale montre que lorsque la tension de la batterie change, la tension côté basse tension - peut être maintenue de manière stable et la puissance de transmission totale peut être ajustée dynamiquement sans fluctuation, offrant ainsi une nouvelle voie technique pour l'intégration efficace du BESS et des transformateurs.
4. Critères de sélection clés et exigences techniques pour les transformateurs BESS
La sélection des transformateurs BESS affecte directement l'efficacité, la sécurité et les avantages économiques de l'ensemble du système de stockage d'énergie. Il est nécessaire de prendre en compte de manière exhaustive des facteurs tels que la capacité du système, la qualité de tension, les conditions de fonctionnement et les exigences de sécurité, et de suivre les principaux critères de sélection et exigences techniques suivants.
4.1 Adaptation des capacités
La capacité nominale du transformateur doit correspondre à la puissance nominale du PCS et, en même temps, les exigences de perte de puissance auxiliaire et de fonctionnement en surcharge doivent être prises en compte. Généralement, elle ne doit pas être inférieure à 1,05 fois la puissance nominale du PCS connecté pour garantir le fonctionnement sûr à long terme du transformateur. Il convient de noter que réduire aveuglément la capacité du transformateur pour réduire les coûts entraînera une marge de fonctionnement insuffisante et affectera la stabilité du système. Par exemple, dans certains projets de stockage d'énergie centralisé, le choix d'un transformateur de capacité insuffisante entraînera une surchauffe et un vieillissement du transformateur lors d'un fonctionnement à long terme-, réduisant ainsi sa durée de vie.
4.2 Niveau d'efficacité énergétique
Le niveau d’efficacité énergétique du transformateur affecte directement la perte d’énergie et les coûts d’exploitation du système de stockage d’énergie. La norme nationale « Limite d'efficacité énergétique et niveau d'efficacité énergétique des transformateurs de puissance » divise l'efficacité énergétique en trois niveaux, parmi lesquels le niveau 1 présente l'efficacité énergétique la plus élevée. Lors de la sélection, il est nécessaire de comparer de manière exhaustive l'économie et l'efficacité et de sélectionner des transformateurs qui répondent aux normes d'efficacité énergétique pertinentes. Pour les projets de stockage d'énergie à grande échelle avec une longue durée de fonctionnement, la sélection de transformateurs à efficacité énergétique de niveau 1 peut permettre d'économiser beaucoup de coûts d'électricité sur l'ensemble du cycle de vie.
4.3 Sélection de la méthode de refroidissement
La sélection de la méthode de refroidissement doit être basée sur le scénario d'application et les exigences de sécurité. Dans les stations de stockage d'énergie intérieures et les projets de stockage d'énergie par batteries lithium-ion, les transformateurs de type sec- doivent être préférés en raison de leur bonne sécurité et de l'absence de risque d'incendie et d'explosion. Dans les projets extérieurs de stockage d'énergie à grande échelle, les transformateurs immergés dans l'huile peuvent être sélectionnés lorsque les exigences de protection incendie sont remplies, profitant de leur faible consommation d'énergie et de leur faible coût. Dans le même temps, les mesures de refroidissement correspondantes (telles que le refroidissement par air forcé, le refroidissement forcé par huile) doivent être configurées en fonction de l'environnement d'exploitation pour garantir que le transformateur fonctionne dans la plage de température autorisée.
4.4 Correspondance des paramètres clés
Outre la capacité et l'efficacité énergétique, la sélection des transformateurs doit également prendre en compte la correspondance de paramètres clés tels que la tension nominale, l'impédance de court-circuit-, la plage de prises et le groupe de connexion. Par exemple, la tension nominale du côté basse-tension du transformateur doit correspondre à la tension nominale du côté CA du PCS, et la tension nominale du côté haute-tension doit correspondre à la tension du côté basse-tension du transformateur principal ; le groupe de connexion adopte généralement le mode de connexion Dy11 pour s'adapter aux exigences de flux d'énergie bidirectionnel et de suppression des harmoniques du BESS.
4.5 Sécurité et fiabilité
Le transformateur doit avoir des performances d'isolation fiables, une capacité de tenue aux courts-circuits-et une fonction de protection contre les surtensions pour s'adapter à l'environnement de fonctionnement difficile du BESS. Par exemple, le niveau d'isolation doit répondre aux exigences de tension de fonctionnement et l'enroulement doit être traité avec une isolation pour éviter le vieillissement et la rupture de l'isolation ; le transformateur doit être équipé d'un système de surveillance de la température, d'une protection contre les surintensités et d'autres dispositifs permettant de détecter et de gérer les défauts en temps opportun, garantissant ainsi la sécurité du système.
5. Tendances de développement futures
Avec l'expansion continue de l'échelle du BESS et l'amélioration continue des exigences techniques, les transformateurs pour BESS sont confrontés à de nouveaux défis, tout en montrant également une nette tendance de développement vers un rendement élevé, une intelligence, une intégration et une miniaturisation.
5.2 Tendances de développement futures
Haute efficacité et faibles pertes : avec l'amélioration continue des normes d'efficacité énergétique, la recherche et le développement de transformateurs à haute-efficacité deviendront au centre des préoccupations. En adoptant de nouveaux matériaux de base (tels que l'alliage amorphe), en optimisant la structure de l'enroulement et en améliorant les processus de fabrication, la perte à vide -et la perte de charge des transformateurs seront encore réduites et l'efficacité globale du BESS sera améliorée.
Mise à niveau intelligente : les transformateurs BESS seront intégrés à des technologies intelligentes telles que l'Internet des objets (IoT), le big data et l'intelligence artificielle. Grâce à la surveillance-en temps réel des paramètres de fonctionnement du transformateur (température, courant, tension, etc.), une maintenance prédictive et un diagnostic des pannes seront réalisés, réduisant ainsi les coûts de maintenance et améliorant la fiabilité du système. Dans le même temps, il réalisera une interaction intelligente avec les PCS et les réseaux intelligents, améliorant ainsi la flexibilité et la contrôlabilité des systèmes de stockage d'énergie.
Intégration et miniaturisation : L'intégration de transformateurs et de PCS deviendra une nouvelle tendance, réduisant le volume et le poids du système, simplifiant le processus d'installation et réduisant le coût de l'ensemble du système de stockage d'énergie. Par exemple, l'architecture intégrée innovante des transformateurs intelligents et du BESS peut réduire le nombre d'appareils et améliorer l'efficacité de l'intégration. Dans le même temps, la conception de miniaturisation rendra les transformateurs plus adaptés aux scénarios de stockage d’énergie distribué avec un espace limité.
Personnalisation et diversification : avec la diversification des scénarios d'application BESS (côté utilitaire-côté industriel et commercial-, distribué), la demande de transformateurs personnalisés va augmenter. Les transformateurs seront conçus en fonction des besoins spécifiques des différents projets, tels que la qualité de tension, la capacité, l'environnement d'exploitation et les exigences de sécurité, afin d'améliorer l'adaptabilité et l'économie du système.
Vert et bas-carbone : dans le contexte de la stratégie « double carbone », la transformation verte et bas-carbone des transformateurs sera accélérée. L'utilisation de matériaux respectueux de l'environnement (tels que des matériaux isolants non-toxiques et dégradables) et l'optimisation de la conception économe en énergie-réduiront l'impact environnemental des transformateurs, réalisant ainsi le développement vert de l'ensemble de l'industrie du stockage d'énergie.
6.Conclusion
En tant que composant d'interface principal des systèmes de stockage d'énergie par batterie, les transformateurs entreprennent les tâches clés de conversion de tension, de gestion du flux d'énergie bidirectionnel, de protection de la sécurité et d'optimisation de l'efficacité, qui sont cruciales pour le fonctionnement stable, efficace et sûr du BESS. Avec le développement rapide de l'industrie du stockage d'énergie, les exigences techniques des transformateurs BESS s'améliorent constamment et les transformateurs évoluent vers un rendement élevé, une intelligence, une intégration et une miniaturisation.
À l'avenir, grâce à la percée continue de nouveaux matériaux, de nouvelles technologies et de nouvelles architectures, les transformateurs BESS s'adapteront mieux aux besoins de développement de systèmes de stockage d'énergie -à grande échelle, intelligents et verts, fourniront un soutien plus fort à l'intégration des énergies renouvelables et à la construction de réseaux intelligents, et apporteront des contributions importantes à la transformation énergétique mondiale et à la réalisation de l'objectif du « double carbone ». Pour les concepteurs, les opérateurs et les fabricants d'équipements de projets de stockage d'énergie, il est nécessaire d'accorder toute l'attention à la sélection et à l'application des transformateurs, et de promouvoir le développement sain et durable de l'industrie du stockage d'énergie grâce à une conception scientifique, une sélection rationnelle et un fonctionnement intelligent.
