Solución de almacenamiento de energía de conexión directa de media tensión (E4Matrix)

Zhejiang Rockwell Energy Technology Co., Ltd.

Ante las altas pérdidas de energía y los ingresos limitados de los proyectos de almacenamiento de energía, las arquitecturas de conexión a la red convencionales apenas pueden cumplir con los requisitos para una operación eficiente. La solución de almacenamiento de energía de conexión directa a media tensión E4Matrix adopta la tecnología de transformador de estado sólido SST para simplificar los enlaces de conversión, logrando una eficiencia y fiabilidad superiores.

1. Contexto de la industria y puntos críticos

1.1 Contexto de la industria

En el contexto de la estrategia de doble carbono y la construcción del nuevo sistema eléctrico, las centrales de almacenamiento están pasando de un "papel de apoyo" a una "necesidad para la red". Según la Administración Nacional de Energía, la capacidad acumulada instalada de almacenamiento de nuevo tipo superó los 80 GW en 2025, siendo el almacenamiento de duración media de 2 a 4 horas el principal motor de crecimiento. Sin embargo, dos cuellos de botella técnicos siguen limitando el despliegue a gran escala: la eficiencia de conversión de energía y el riesgo de fallo de punto único.

1.2 Cuatro puntos críticos de las soluciones tradicionales

Punto crítico	Comportamiento tradicional	Causa raíz física
Alta pérdida en vacío	El PCS y el transformador elevador operan energizados las 24 horas, con pérdidas del 1% al 2%	Las pérdidas en el núcleo de un transformador de frecuencia de red no pueden eliminarse
Múltiples etapas de conversión	Batería → PCS → transformador → red: 4 etapas de conversión	Se acumula una pérdida del 1% al 3% en cada etapa
Desequilibrio de SOC	La profundidad de carga/descarga varía entre las agrupaciones de baterías	El equilibrado pasivo depende de la consistencia de las baterías
Fallo en un solo punto	Un módulo defectuoso en un diseño de puente H en cascada (CHB) detiene la planta	Sin capacidad de bypass redundante

1.3 Conexión directa tradicional frente a SST: la diferencia física

Enfoque tradicional: cuatro conversiones de potencia, gravadas en cada paso

En una planta de almacenamiento tradicional, la corriente continua de la batería debe pasar por cuatro dispositivos separados para llegar a la red de 10 kV; cada etapa es un "impuesto de potencia":

Paso	Equipo	Forma actual	Pérdida en esta etapa	En términos sencillos
①	Convertidor CC/CC	CC de la batería → Barra colectora CC (elevación/reducción)	~2%–3%	"Ajusta" el voltaje de la batería a lo que necesita el PCS
②	PCS (inversor)	CC → CA 0,4 kV	~2%	Convierte CC en CA para que pueda ingresar a la red
③	Transformador elevador	CA 0,4 kV → CA 10 kV	~1%–2%	Eleva la CA de baja tensión a media tensión para la conexión a la red
④	Aparamenta de conexión a la red	CA 10 kV a la barra colectora	Despreciable	La compuerta final

Punto físico clave — pérdidas en vacío: siempre que el transformador elevador (③) esté conectado a la red, su núcleo sigue siendo magnetizado por la red incluso cuando el sistema de almacenamiento no está ni cargando ni descargando, produciendo pérdidas en el núcleo (pérdidas en vacío). Un transformador de 100 MVA tiene unas pérdidas en vacío de aproximadamente el 1,5%, consumidas continuamente durante las 8.760 horas al año: una "pérdida por inactividad".

Pérdida total estimada: ~2% + 2% + 1,5% durante la carga, y lo mismo durante la descarga: una pérdida de ida y vuelta de aproximadamente el 8%–11%.

Enfoque de conexión directa SST: una conversión, realizada en un solo paso

La corriente continua de la batería pasa a través de un único dispositivo SST directamente a la red de 10 kV:

Paso	Equipo	Forma actual	Pérdida en esta etapa	En términos sencillos
①	Transformador de estado sólido SST	CC de batería → CA de alta frecuencia → CC → CA de 10 kV	~1%–2%	"Elevación + inversión + aislamiento" todo dentro de una caja; un transformador de alta frecuencia reemplaza al de frecuencia de red

Punto físico clave — pérdida cero en modo de espera: cuando el SST está inactivo, sus dispositivos internos de electrónica de potencia pueden apagarse por completo. Al no haber núcleo que magnetizar, la pérdida en vacío = 0.

Pérdida total estimada: pérdida de ciclo completo de aproximadamente un 4%–5%, aproximadamente la mitad que la del enfoque tradicional.

Una visión en una sola imagen de la diferencia

Tradicional (4 etapas):

Batería → CC/CC → PCS → Transformador elevador → 10 kV
[2–3%] [2%] [1.5%] - el transformador sigue en vacío y consumiendo energía

Conexión directa SST (1 etapa):

Batería → [SST transformador de estado sólido] → 10 kV
Transformador interno de alta frecuencia: pequeño, eficiente
Apagado por completo en modo de espera: pérdida cero

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

2. Resumen de la solución y propuesta de valor

2.1 Definición de la solución (BLUF)

El sistema de almacenamiento de conexión directa a media tensión SST (E4Matrix) utiliza el transformador de estado sólido como núcleo, reemplazando la arquitectura tradicional de "PCS + transformador elevador" o de puente H en cascada (CHB), de modo que los grupos de baterías se conectan directamente a la barra colectora de media tensión de 10 kV. Ofrece:

Eficiencia de ciclo completo +2% (eliminación de la pérdida en vacío del transformador)
Energía utilizable +6% (equilibrio activo del SOC)
Pérdida por fallo de punto único de <0,1% (derivación redundante a nivel de módulo)
Sin pérdida en vacío (el SST reduce su pérdida a cero cuando se apaga)

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

2.2 Propuesta de valor central

Dimensión de valor	Métrica	frente a lo tradicional
Eficiencia energética	Eficiencia de ida y vuelta +2%	~8% más de energía de ciclo recuperada a lo largo de una vida útil de 20 años
Capacidad útil	Equilibrado de SOC +6%	6% más de energía liberada de la misma capacidad
Fiabilidad	Fallo en un solo punto <0.1%	Pérdida del 100% en fallo en cascada de CHB
Huella	−30%	Transformador elevador y aparamenta de AT eliminados
Velocidad de respuesta	Nivel de milisegundos	Sin partes mecánicas en la regulación de potencia

3. Arquitectura del sistema

3.1 Topología del sistema (capa por capa)

Capa de conexión a la red: barra colectora de media tensión de CA de 10 kV (entrada de doble bucle) — interruptor de conexión a la red QF (abierto para mantenimiento para formar un espacio visible), TC/TP de medición (medición de pasarela), y dispositivos de protección (sobrecorriente / diferencial / subtensión)
Capa de conversión: grupo de módulos SST (redundancia N+1) — módulo A (activo), módulo B (activo), módulo C (en espera, asume automáticamente el control en caso de fallo)
Capa de almacenamiento: grupo de clústeres de baterías — Clúster 1 (LFP-280Ah), Clúster 2 (LFP-280Ah), Clúster 3 (LFP-280Ah)
Capa de gestión: EMS + BMS + controlador de extinción de incendios + SCADA a nivel de planta

Capa	Composición	Flujo de potencia	Flujo de señales	Fundamento del diseño
① Conexión a la red	Barra colectora de 10 kV, interruptor de conexión a la red QF, medición CT/PT, protección	Almacenamiento ↔ red, bidireccional	Posición del interruptor → SCADA	El interruptor de conexión a la red es el límite físico de seguridad; abrirlo para mantenimiento crea una separación visible
② Conversión	Módulos SST N+1	10 kV CA ↔ CC del lado de la batería	EMS → comandos de potencia SST; SST → estado EMS	Redundancia N+1: si falla alguna unidad, el resto comparte la carga automáticamente — sin apagado
③ Almacenamiento	Clústeres de baterías (LFP-280Ah)	CC de la batería ↔ SST	BMS → EMS: SOC / temperatura / tensión	Los clústeres son independientes; la energía se equilibra entre ellos a través del SST
④ Gestión	EMS + BMS + contraincendios + SCADA	Sin potencia, solo información	Agregación de datos de toda la planta	El cerebro: decide cuándo cargar, cuánto y qué clúster recibe más

3.2 Arquitectura de tres niveles

Nivel	Componente	Función	Redundancia
Nivel de interfaz	Módulo SST (CA/CC + CC/CC)	Conexión directa de media tensión, conversión bidireccional, aislamiento	N+X en reserva activa
Nivel de almacenamiento	Clúster de baterías (celdas LFP-280Ah)	Almacenamiento de energía, balanceo de SOC	Protección por fusibles a nivel de clúster
Nivel de gestión	BMS + EMS	Gestión de baterías, despacho de energía	Controladores duales en reserva activa

3.3 Interior del módulo SST (Módulo único en tres etapas)

Estructura general

Flujo de potencia: entrada de CA de 10 kV → ① etapa rectificadora de entrada → barra colectora de CC → ② etapa de aislamiento de alta frecuencia → CC de baja tensión → ③ etapa de interfaz de baterías → cluster de baterías

Etapa de potencia	Función	Componentes clave	En términos sencillos	Parámetros físicos clave
① Etapa rectificadora de entrada	Convierte 10 kV de CA en un bus de CC	Puente completo de MOSFET de SiC, resistencia de arranque suave, filtro EMI	"Rectifica" la CA en CC	Bus de CC ~12–15 kV; el arranque suave limita la corriente de irrupción de cierre
② Etapa de aislamiento de alta frecuencia	Elevación/reducción + aislamiento eléctrico mediante un transformador de alta frecuencia	Puente completo de SiC, transformador de alta frecuencia (20 kHz+), condensador resonante	La tecnología central: un pequeño transformador de alta frecuencia reemplaza al gran transformador de frecuencia de red — volumen reducido en más de 10 veces	Aislamiento soporta 42 kV; frecuencia de 20 kHz+ (frente a 50 Hz de frecuencia de red); conmutación suave ZVS con un 98,5 % de eficiencia
③ Etapa de interfaz de batería	Convierte el voltaje del bus de CC a los 200–1000 V que necesita la batería y controla la carga/descarga	Convertidor CC/CC, IGBT/SiC bidireccional	Como un adaptador de tensión que ajusta automáticamente la tensión de la batería	Salida continua de 200–1000 V; precisión de control de corriente de ±1 %

¿Por qué dividirlo en tres etapas de potencia?

Separación de ① y ②: la etapa rectificadora maneja la conversión de "CA → CC", mientras que la etapa de aislamiento se dedica a la "conversión de voltaje + aislamiento de seguridad". Separarlas mantiene la tensión eléctrica en los dispositivos de cada etapa en niveles razonables y prolonga su vida útil.
Transformador de alta frecuencia en ②: el tamaño del transformador es inversamente proporcional a la frecuencia: a mayor frecuencia, menores serán el núcleo y los devanados para la misma potencia. Un transformador de 20 kHz es aproximadamente un 90 % más pequeño que una unidad de frecuencia de red de 50 Hz; esta es la base física de la reducción del 30 % en la huella del SST.
Equilibrado de SOC en ③: la etapa de interfaz de la batería puede controlar con precisión la corriente de carga/descarga de cada grupo, y el EMS utiliza esto para "cargar menos los grupos con alto SOC y más los grupos con bajo SOC" — equilibrado activo.

4.1 Especificaciones clave del equipo

Equipo	Modelo / especificación	Parámetros técnicos clave
Módulo SST	Tipo de conexión directa de 10 kV	1,0 / 1,25 / 1,5 MW por módulo; 98,5 % de eficiencia; armónicos <1 %
Cluster de baterías	LFP-280 Ah	Tensión nominal 3,2 V; vida útil del ciclo >8.000; DOD 95 %
BMS	Arquitectura de tres niveles	Corriente de equilibrado activo ±2 A; precisión de muestreo ±1 mV
EMS	Despacho a nivel de planta	Respuesta <100 ms; compatible con IEC 60870-5-104 / DNP3.0 / Modbus
Sistema contra incendios	Perfluorohexanona	Detección y supresión a nivel de cluster <10 s; prevención de reignición

4.2 Rendimiento a nivel del sistema

Parámetro	Valor nominal	Prueba / validación
Potencia nominal	1,2 MW (ampliable a 5 MW)	Estación GDS de Chongqing
Capacidad nominal	2,4 MWh (ampliable)	Igual
Eficiencia global	≥90 % (lado de CA)	Medido por el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica
Profundidad de ecualización de SOC	99 %	Medido
Tiempo de respuesta	<50 ms	Regulación a plena potencia
Norma de conexión a la red	GB/T 34120 / GB/T 36276	Ensayo de tipo

5. Aspectos técnicos destacados y principios físicos

5.1 Aspecto destacado 1: Pérdidas en vacío nulas

Principio físico: en el enfoque tradicional, el transformador elevador produce pérdidas en el núcleo (de excitación) siempre que está conectado a la red, consumiendo energía las 24 horas del día. En el enfoque de conexión directa SST, cuando la batería no está ni cargando ni descargando, el módulo SST puede configurarse en modo de reposo de potencia cero, sus dispositivos de electrónica de potencia se apagan por completo y las pérdidas en vacío se reducen a cero.
Beneficio cuantificado: para una planta de 100 MW / 200 MWh, esto ahorra aproximadamente 18.000 MWh de pérdidas en vacío por año (basado en una pérdida en el núcleo del transformador del 1,5%).

5.2 Aspecto destacado 2: Equilibrio activo del SOC

Principio físico: las diferencias de SOC entre los grupos de baterías surgen de las diferencias en la resistencia interna y la temperatura. El equilibrio pasivo tradicional simplemente disipa el exceso de energía. El enfoque SST aprovecha la capacidad de potencia bidireccional a nivel de módulo: el EMS calcula el SOC de cada grupo y transfiere activamente energía de los grupos con alto SOC a los de bajo SOC.
Beneficio cuantificado: energía utilizable +6%, y mayor vida útil de la batería (se evita la sobrecarga/sobredescarga).

Solución de almacenamiento de energía de conexión directa de media tensión (E4Matrix)

5.3 Aspecto destacado 3: Redundancia de módulos N+X

Principio físico: los módulos SST funcionan en reserva en caliente N+X. Cuando falla cualquier módulo, el EMS lo detecta y omite sin interrupciones el módulo defectuoso, mientras que los módulos restantes comparten automáticamente la potencia.
Beneficio cuantificado: pérdida por fallo de punto único <0,1% (frente al 100% de parada de la planta en una cascada CHB).

Solución de almacenamiento de energía de conexión directa de media tensión (E4Matrix)

6. Comparación económica con el enfoque tradicional

6.1 Comparación del TCO del ciclo de vida a 25 años (línea base de 100 MW / 200 MWh)

Concepto de coste	Tradicional (RMB 10k)	SST de conexión directa (RMB 10k)	Ahorro
Inversión inicial	3.200	2.900	−9,4%
Mantenimiento anual del transformador	45	8	−82%
Pérdidas en vacío (25 años)	1.350	0	−100%
Sustitución de baterías (beneficio de equilibrado de SOC)	1.200	1.050	−12,5%
TCO a 25 años	12.750	10.230	−19,8%

6.2 Análisis de recuperación de la inversión

Inversión inicial adicional: ~1,5 millones de RMB (prima de equipo SST)
Ahorro operativo anual: ~1,8 millones de RMB
Período de recuperación: ~10 meses

7. Referencias de proyectos emblemáticos

```

Proyecto	Configuración	Datos clave medidos	Relevancia
GDS Chongqing	1,2 MW / 2,4 MWh	Eficiencia general del 90%; profundidad de carga/descarga de equilibrado de SOC del 99%	Modelo de almacenamiento de centro de datos
Red eléctrica de Guangdong, interconexión de 6 distritos	Interconexión flexible multidistrito	Eficiencia del equipo del 98,7% (+4%)	Modelo de interconexión flexible de red de distribución
CNPC Kunshan	Estación de carga híbrida ultrarrápida SST	Eficiencia superior al 95%; reducción del 40% en la superficie ocupada	Primera instalación a nivel mundial

8. Normas técnicas y conformidad

Categoría	Norma	Alcance
Conexión a la red	GB/T 34120	Reglamento técnico para sistemas de almacenamiento de energía electroquímica conectados a la red
Seguridad de las baterías	GB/T 36276	Baterías de iones de litio para almacenamiento de energía eléctrica
Convertidor	GB/T 34133	Especificaciones técnicas para convertidores de almacenamiento de energía
Protección contra incendios	GB/T 42288	Reglamento de seguridad para centrales eléctricas de almacenamiento de energía electroquímica
Internacional	IEC 62933	Serie de normas para sistemas de almacenamiento de energía eléctrica

9. Entrega y Servicios

9.1 Modelo de Entrega

Fase	Duración	Alcance
Diseño de la solución	2 semanas	Estudio del sitio, configuración de capacidad, diseño del sistema
Prefabricación en fábrica	6 semanas	Producción modular, pruebas de fábrica
Instalación in situ	4 semanas	Izaje, cableado, puesta en marcha
Aceptación de la conexión a la red	2 semanas	Pruebas completas de conexión a la red, aceptación de la red
Total	14 semanas	30 % más corto que el tradicional

9.2 Servicios de ciclo de vida completo

Garantía: batería 10 años / SST 5 años / sistema 3 años
O&M: monitoreo remoto + inspección anual + respuesta de emergencia las 24 horas
Actualizaciones: actualización remota OTA del software EMS

Equipamiento desplegado

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