Mittelspannungs-Direktanschluss-Energiespeicherlösung (E4Matrix)

Zhejiang Rockwell Energy Technology Co., Ltd.

Angesichts hoher Energieverluste und begrenzter Erträge bei Energiespeicherprojekten können herkömmliche Netzanschlussarchitekturen die Anforderungen an einen effizienten Betrieb kaum erfüllen. Die E4Matrix-Mittelspannungs-Direktanschluss-Energiespeicherlösung setzt auf SST-Festkörpertransformator-Technologie, um die Umwandlungsstufen zu vereinfachen und so eine überragende Effizienz und Zuverlässigkeit zu erzielen.

1. Branchenhintergrund und Schmerzpunkte

1.1 Branchenhintergrund

Vor dem Hintergrund der Dual-Carbon-Strategie und dem Aufbau des neuen Energiesystems entwickeln sich Speicherkraftwerke von einer "unterstützenden Rolle" zu einer "Netznotwendigkeit". Laut der Nationalen Energiebehörde überstieg die kumulierte installierte Kapazität an neuartigen Speichern im Jahr 2025 80 GW, wobei mittlere Speicherdauern von 2 bis 4 Stunden zum wichtigsten Wachstumstreiber wurden. Dennoch begrenzen nach wie vor zwei technische Engpässe den großflächigen Einsatz: der Wirkungsgrad der Energieumwandlung und das Risiko eines Single Point of Failure.

1.2 Vier Schmerzpunkte herkömmlicher Lösungen

Schmerzpunkt	Herkömmliches Verhalten	Physische Grundursache
Hoher Leerlaufverlust	PCS + Aufwärtstransformator laufen rund um die Uhr unter Spannung, Verluste von 1 %–2 %	Der Kernverlust eines Netzfrequenztransformators lässt sich nicht eliminieren
Zahlreiche Umwandlungsstufen	Batterie → PCS → Transformator → Netz: 4 Umwandlungsstufen	In jeder Stufe fallen 1 %–3 % Verluste an
SOC-Imbalance	Die Entlade- und Ladetiefe variiert zwischen den Batterieclustern	Passives Balancing basiert auf der Konsistenz der Batterien
Single-Point-Fehler	Ein defektes Modul in einem kaskadierten H-Brücken-Design (CHB) stoppt die Anlage	Keine redundante Bypass-Kapazität

1.3 Traditioneller vs. SST-Direktanschluss — der physikalische Unterschied

Traditioneller Ansatz: vier Leistungsumwandlungen, die in jeder Stufe mit Verlusten behaftet sind

In einem traditionellen Speicherkraftwerk muss der Gleichstrom der Batterie vier separate Geräte durchlaufen, um das 10-kV-Netz zu erreichen — jede Stufe ist eine „Leistungssteuer“:

Schritt	Ausrüstung	Aktuelle Form	Verluste auf dieser Stufe	Einfach ausgedrückt
①	DC/DC-Wandler	Batterie-Gleichstrom → Gleichstrom-Sammelschiene (Hoch-/Herabsetzung)	~2%–3%	"Richtet" die Batteriespanung auf den vom PCS benötigten Wert aus
②	PCS (Wechselrichter)	Gleichstrom → Wechselstrom 0,4 kV	~2%	Wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um, damit er ins Netz eingespeist werden kann
③	Aufwärtstransformator	Wechselstrom 0,4 kV → Wechselstrom 10 kV	~1%–2%	Setzt Niederspannungs-Wechselstrom für den Netzanschluss auf Mittelspannung hoch
④	Schaltanlage für den Netzanschluss	Wechselstrom 10 kV auf die Sammelschiene	Vernachlässigbar	Das letzte Tor

Wesentlicher physikalischer Punkt – Leerlaufverlust: Solange der Step-up-Transformator (③) an das Netz angeschlossen ist, wird sein Kern auch dann kontinuierlich vom Netz magnetisiert, wenn das Speichersystem weder lädt noch entlädt, was zu Kern- (Leerlauf-)Verlusten führt. Ein 100-MVA-Transformator hat einen Leerlaufverlust von etwa 1,5 %, der über 8.760 Stunden im Jahr kontinuierlich anfällt – ein "Bereitschaftsverlust".

Geschätzter Gesamtverlust: ~2 % + 2 % + 1,5 % beim Laden, beim Entladen noch einmal derselbe – Zyklusverlust von etwa 8 %–11 %.

SST-Direktanschluss-Konzept: eine einzige Umwandlung in einem einzigen Schritt

Der Gleichstrom der Batterie fließt durch eine einzige SST-Einheit direkt in das 10-kV-Netz:

Schritt	Gerät	Aktuelle Form	Verluste in dieser Stufe	Einfach ausgedrückt
①	SST-Feststofftransformator	Batterie-Gleichstrom → Hochfrequenz-Wechselstrom → Gleichstrom → Wechselstrom 10 kV	~1%–2%	"Spannungserhöhung + Invertierung + Isolierung" alles in einem Gehäuse; ein Hochfrequenztransformator ersetzt den Transformator für Netzfrequenz

Wesentlicher physikalischer Punkt — null Standby-Verluste: Wenn der SST im Leerlauf ist, können seine internen leistungselektronischen Bauteile vollständig abgeschaltet werden. Da kein Kern magnetisiert werden muss, ist der Leerlaufverlust = 0.

Geschätzter Gesamtverlust: Round-Trip-Verlust von etwa 4 %–5 % — ungefähr die Hälfte des herkömmlichen Ansatzes.

Der Unterschied in einem Bild

Herkömmlich (4 Stufen):

Batterie → DC/DC → PCS → Hochtransformator → 10 kV
[2–3 %] [2 %] [1,5 %] - Transformator läuft weiterhin im Leerlauf und verbraucht Strom

SST-Direktanschluss (1 Stufe):

Batterie → [SST Festkörpertransformator] → 10 kV
Interner Hochfrequenztransformator: klein, effizient
Vollständige Abschaltung im Standby: null Verlust

Medium-Voltage Direct-Connect Energy Storage Solution (E4Matrix)

2. Lösungsübersicht und Wertversprechen

2.1 Lösungsdefinition (BLUF)

Das SST-Mittelspannungs-Direktanschluss-Speichersystem (E4Matrix) verwendet den Festkörpertransformator als Kern und ersetzt die herkömmliche "PCS + Hochtransformator"- oder Kaskadierte-H-Brücke-(CHB)-Architektur, sodass Batteriecluster direkt an die 10-kV-Mittelspannungssammelschiene angeschlossen werden. Es bietet:

Round-Trip-Wirkungsgrad +2 % (Leerlaufverlust des Transformators eliminiert)
Nutzbare Energie +6 % (aktiver SOC-Ausgleich)
Single-Point-of-Failure-Verlust von <0,1 % (redundanter Bypass auf Modulebene)
Kein Leerlaufverlust (der SST fällt bei Abschaltung auf null Verlust)

Medium-Voltage Direct-Connect Energy Storage Solution (E4Matrix)

2.2 Kernwertversprechen

Wertdimension	Kennzahl	vs. traditionell
Energieeffizienz	Systemwirkungsgrad +2 %	~8 % mehr Zyklusenergie über eine Lebensdauer von 20 Jahren zurückgewonnen
Nutzbare Kapazität	SOC-Ausgleich +6 %	6 % mehr Energie aus derselben Kapazität abgegeben
Zuverlässigkeit	Single-Point-Failure <0,1 %	100 % Ausfall bei CHB-Kaskadenfehler
Platzbedarf	−30 %	Aufwärtstransformator und Hochspannungsschaltanlage entfallen
Reaktionsgeschwindigkeit	Millisekundenbereich	Keine mechanischen Teile in der Leistungsregelung

3. Systemarchitektur

3.1 Systemtopologie (Ebenenweise)

Netzanschluss-Ebene: 10-kV-AC-Mittelspannungssammelschiene (Doppelschleifeneinspeisung) – Netzanschluss-Schalter QF (zur Wartung geöffnet, um eine sichtbare Trennstrecke zu bilden), Messwandler CT/PT (Gateway-Messung) und Schutzeinrichtungen (Überstrom- / Differentialschutz- / Unterspannungsschutz)
Umwandlungsebene: SST-Modulgruppe (N+1-Redundanz) – Modul A (aktiv), Modul B (aktiv), Modul C (Standby, übernimmt automatisch bei Ausfall)
Speicherebene: Batterie-Cluster-Gruppe – Cluster 1 (LFP-280Ah), Cluster 2 (LFP-280Ah), Cluster 3 (LFP-280Ah)
Managementebene: EMS + BMS + Brandbekämpfungssteuerung + SCADA auf Anlagenebene

Ebene	Aufbau	Leistungsfluss	Signalfluss	Entwurfsbegründung
① Netzanschluss	10-kV-Sammelschiene, QF-Netzschalter, Strom-/Spannungswandler-Messung, Schutz	Speicher ↔ Netz, bidirektional	Schalterstellung → SCADA	Der Netzschalter ist die physische Sicherheitsgrenze; das Öffnen für Wartungsarbeiten schafft eine sichtbare Trennstrecke
② Wandlung	N+1 SST-Module	10 kV AC ↔ batterieseitiger DC	EMS → SST-Leistungsbefehle; SST → EMS-Status	N+1-Redundanz: Wenn eine Einheit ausfällt, teilen die übrigen die Last automatisch auf – keine Abschaltung
③ Speicher	Batteriecluster (LFP-280Ah)	Batterie-DC ↔ SST	BMS → EMS: SOC / Temperatur / Spannung	Cluster sind unabhängig; Energie wird über die SST zwischen ihnen ausgeglichen
④ Management	EMS + BMS + Brandbekämpfung + SCADA	Keine Leistung, nur Informationen	Anlagenweite Datenaggregation	Das Gehirn: entscheidet, wann geladen wird, wie viel und welcher Cluster mehr erhält

3.2 Dreistufige Architektur

Ebene	Komponente	Funktion	Redundanz
Schnittstellenebene	SST-Modul (AC/DC + DC/DC)	Mittelspannungs-Direktanschluss, bidirektionale Konvertierung, Isolierung	N+X-Warmreserve
Speicherebene	Batteriecluster (LFP-280Ah-Zellen)	Energiespeicherung, SOC-Ausgleich	Sicherungsschutz auf Cluster-Ebene
Managementebene	BMS + EMS	Batteriemanagement, Energieverteilung	Doppelcontroller im Warmstandby

3.3 Im Inneren des SST-Moduls (Einzelmodul in drei Stufen)

Gesamtstruktur

Leistungsfluss: 10 kV AC-Eingang → ① Eingangs-Gleichrichter-Stufe → DC-Sammelschiene → ② Hochfrequenz-Trennstufe → Niederspannungs-DC → ③ Batterieschnittstellen-Stufe → Batterie-Cluster

Leistungsstufe	Funktion	Schlüsselkomponenten	Einfach ausgedrückt	Wichtige physikalische Parameter
① Eingangsgleichrichter-Stufe	Wandelt 10 kV Wechselstrom in eine DC-Sammelschiene um	SiC-MOSFET-Vollbrücke, Sanftanlaufwiderstand, EMV-Filter	"Richtet" den Wechselstrom in Gleichstrom	DC-Sammelschiene ~12–15 kV; Sanftanlauf begrenzt den Einschaltstromstoß
② Hochfrequenz-Trennstufe	Hoch- und Herabtransformierung + elektrische Isolierung über einen Hochfrequenztransformator	SiC-Vollbrücke, Hochfrequenztransformator (20 kHz+), Resonanzkondensator	Die Kerntechnologie: Ein kleiner Hochfrequenztransformator ersetzt den großen Netzfrequenztransformator – das Volumen wird um mehr als das 10-fache reduziert	Isolationsfestigkeit 42 kV; Frequenz 20 kHz+ (gegenüber 50 Hz Netzfrequenz); ZVS-Soft-Schaltung bei 98,5 % Wirkungsgrad
③ Batterieschnittstellen-Stufe	Wandelt die Spannung der DC-Sammelschiene in die von der Batterie benötigten 200–1000 V um und steuert das Laden und Entladen	DC/DC-Wandler, bidirektionaler IGBT/SiC	Wie ein Spannungsadapter, der die Batteriespannung automatisch anpasst	Stufenloser 200–1000-V-Ausgang; Stromregelgenauigkeit ±1 %

Warum in drei Leistungsstufen aufteilen?

Trennung von ① und ②: die Gleichrichterstufe übernimmt die Wandlung von "Wechselstrom → Gleichstrom", während die Trennstufe speziell für die "Spannungswandlung + Sicherheitstrennung" zuständig ist. Die Aufteilung hält die Spannungsbelastung der Bauelemente in jeder Stufe in einem angemessenen Bereich und verlängert deren Lebensdauer.
Hochfrequenztransformator in ②: Die Transformatorgröße ist umgekehrt proportional zur Frequenz – je höher die Frequenz, desto kleiner sind Kern und Wicklungen bei gleicher Leistung. Ein 20-kHz-Transformator ist etwa 90 % kleiner als eine 50-Hz-Netzfrequenzeinheit – dies ist die physikalische Grundlage für die 30 % geringere Stellfläche des SST.
SOC-Ausgleich in ③: Die Batterieschnittstellenstufe kann den Lade-/Entladestrom jedes Clusters präzise steuern, und das EMS nutzt dies, um "Cluster mit hohem SOC weniger und Cluster mit niedrigem SOC stärker zu laden" – aktiver Ausgleich.

4.1 Wichtige Gerätespezifikationen

Ausrüstung	Modell / Spezifikation	Wichtige technische Parameter
SST-Modul	10-kV-Direktanschlusstyp	1,0 / 1,25 / 1,5 MW pro Modul; 98,5 % Wirkungsgrad; Oberschwingungen <1 %
Batteriecluster	LFP-280Ah	Nennspannung 3,2 V; Zykluslebensdauer >8.000; DOD 95 %
BMS	Dreistufige Architektur	Aktiver Ausgleichsstrom ±2 A; Abtastgenauigkeit ±1 mV
EMS	Anlagenweite Einsatzsteuerung	Ansprechzeit <100 ms; unterstützt IEC 60870-5-104 / DNP3.0 / Modbus
Brandbekämpfung	Perfluorhexanon	Clusterweite Erkennung + Löschung <10 s; Wiederzündungsverhinderung

4.2 Systemleistung

Parameter	Nennwerte	Test / Validierung
Nennleistung	1,2 MW (erweiterbar auf 5 MW)	GDS-Station Chongqing
Nennkapazität	2,4 MWh (erweiterbar)	Identisch
Gesamtwirkungsgrad	≥90 % (AC-Seite)	Gemessen durch das Electric Power Research Institute
SOC-Ausgleichstiefe	99 %	Gemessen
Ansprechzeit	<50 ms	Vollleistungsregelung
Netzanschlussstandard	GB/T 34120 / GB/T 36276	Typgeprüft

5. Technische Highlights und physikalische Prinzipien

5.1 Highlight 1: Null-Leerlaufverluste

Physikalisches Prinzip: Beim herkömmlichen Ansatz erzeugt der Step-up-Transformator Kernverluste (Magnetisierungsverluste), sobald er am Netz ist, und verbraucht 24 Stunden am Tag Strom. Beim SST-Direktanschlussansatz kann das SST-Modul, wenn der Akku weder lädt noch entlädt, auf einen Standby mit Null-Leistung eingestellt werden, wobei seine leistungselektronischen Bauteile vollständig abgeschaltet und die Leerlaufverluste auf null reduziert werden.
Quantifizierter Nutzen: Bei einer 100-MW-/200-MWh-Anlage spart dies jährlich etwa 18.000 MWh an Leerlaufverlusten ein (basierend auf 1,5 % Transformator-Kernverlusten).

5.2 Highlight 2: Aktiver SOC-Ausgleich

Physikalisches Prinzip: SOC-Unterschiede zwischen Batterieclustern entstehen durch Unterschiede im Innenwiderstand und der Temperatur. Der herkömmliche passive Ausgleich dissipiert einfach die überschüssige Energie. Der SST-Ansatz nutzt die bidirektionale Leistungsfähigkeit auf Modulebene: Das EMS berechnet den SOC jedes Clusters und überträgt aktiv Energie von Clustern mit hohem SOC zu solchen mit niedrigem SOC.
Quantifizierter Nutzen: nutzbare Energie +6 % und längere Batterielebensdauer (Überladung/Tiefentladung wird vermieden).

Mittelspannungs-Direktanschluss-Energiespeicherlösung (E4Matrix)

5.3 Highlight 3: N+X-Modulredundanz

Physikalisches Prinzip: Die SST-Module laufen im N+X-Hot-Standby. Wenn ein Modul ausfällt, erkennt das EMS dies und umgeht das fehlerhafte Modul nahtlos, während die verbleibenden Module die Leistung automatisch aufteilen.
Quantifizierter Nutzen: Single-Point-Failure-Verlust <0,1 % (im Vergleich zu 100 % Anlagenstillstand bei einer CHB-Kaskade).

Mittelspannungs-Direktanschluss-Energiespeicherlösung (E4Matrix)

6. Wirtschaftlicher Vergleich mit dem herkömmlichen Ansatz

6.1 25-Jahres-Lebenszyklus-TCO-Vergleich (100 MW / 200 MWh Basis)

Kostenposition	Traditionell (RMB 10k)	SST-Direktanschluss (RMB 10k)	Einsparung
Erstinvestition	3.200	2.900	−9,4 %
Jährliche Transformatorwartung	45	8	−82 %
Leerlaufverlust (25 Jahre)	1.350	0	−100 %
Batteriewechsel (Nutzen durch SOC-Ausgleich)	1.200	1.050	−12,5 %
25-Jahres-TCO	12.750	10.230	−19,8 %

6.2 Amortisationsanalyse

Zusätzliche Erstinvestition: ~1,5 Mio. RMB (SST-Ausrüstungsaufschlag)
Jährliche Betriebskosteneinsparungen: ~1,8 Mio. RMB
Amortisationszeit: ~10 Monate

7. Referenzen für Vorzeigeprojekte

Projekt	Konfiguration	Wesentliche Messdaten	Bedeutung
GDS Chongqing	1,2 MW / 2,4 MWh	90 % Gesamtwirkungsgrad; 99 % SOC-Ausgleichs-Lade-/Entladetiefe	Speichermodell für Rechenzentren
Guangdong Power Grid, 6-Bezirks-Vernetzung	Flexible Vernetzung mehrerer Bezirke	98,7 % Anlageneffizienz (+4 %)	Modell der flexiblen Verteilnetzkopplung
CNPC Kunshan	SST-ultraschnelle Hybridladestation	>95 % Wirkungsgrad; −40 % Stellfläche	Weltweit erste Installation

8. Technische Standards und Konformität

Kategorie	Standard	Geltungsbereich
Netzanschluss	GB/T 34120	Technische Vorschriften für den Netzanschluss elektrochemischer Energiespeichersysteme
Batteriesicherheit	GB/T 36276	Lithium-Ionen-Batterien für die elektrische Energiespeicherung
Stromrichter	GB/T 34133	Technische Spezifikationen für Energiespeicher-Stromrichter
Brandschutz	GB/T 42288	Sicherheitsvorschriften für elektrochemische Energiespeicherkraftwerke
International	IEC 62933	Normenreihe für elektrische Energiespeichersysteme

9. Lieferung und Dienstleistungen

9.1 Liefermodell

Phase	Dauer	Umfang
Lösungsdesign	2 Wochen	Standortbegehung, Kapazitätskonfiguration, Systemdesign
Werkseitige Vorfertigung	6 Wochen	Modulare Fertigung, werkseitige Tests
Installation vor Ort	4 Wochen	Hebearbeiten, Verkabelung, Inbetriebnahme
Netzanschlussabnahme	2 Wochen	Vollständige Netzanschlussprüfungen, Netzabnahme
Gesamt	14 Wochen	30 % kürzer als herkömmliche

9.2 Dienstleistungen über den gesamten Lebenszyklus

Garantie: Batterie 10 Jahre / SST 5 Jahre / System 3 Jahre
Betrieb und Wartung: Fernüberwachung + jährliche Inspektion + 24-Stunden-Notfallbereitschaft
Upgrades: OTA-Fernaktualisierung der EMS-Software

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