Solution de stockage d'énergie à raccordement direct en moyenne tension (E4Matrix)

Zhejiang Rockwell Energy Technology Co., Ltd.

Face aux pertes d'énergie élevées et aux revenus limités des projets de stockage d'énergie, les architectures de raccordement au réseau conventionnelles peuvent difficilement répondre aux exigences d'un fonctionnement efficace. La solution de stockage d'énergie à connexion directe moyenne tension E4Matrix adopte la technologie de transformateur à état solide SST pour simplifier les maillons de conversion, offrant ainsi une efficacité et une fiabilité supérieures.

1. Contexte industriel et points névralgiques

1.1 Contexte industriel

Dans le contexte de la stratégie « double carbone » et du développement du nouveau système électrique, les centrales de stockage d'énergie passent d'un « rôle d'appoint » à une « nécessité pour le réseau ». Selon l'Administration nationale de l'énergie, la capacité cumulée installée de stockage de nouveau type a dépassé 80 GW en 2025, le stockage de durée moyenne de 2 à 4 heures devenant le principal moteur de croissance. Pourtant, deux goulots d'étranglement techniques limitent encore le déploiement à grande échelle : l'efficacité de la conversion d'énergie et le risque de défaillance en point unique.

1.2 Quatre points névralgiques des solutions traditionnelles

Point de douleur	Comportement traditionnel	Cause racine physique
Pertes à vide élevées	Le PCS et le transformateur élévateur fonctionnent sous tension 24h/24, entraînant des pertes de 1 % à 2 %	Les pertes dans le fer d'un transformateur à fréquence du réseau ne peuvent être éliminées
Nombreuses étapes de conversion	Batterie → PCS → transformateur → réseau : 4 étapes de conversion	Des pertes de 1 % à 3 % s'accumulent à chaque étape
Déséquilibre du SOC	La profondeur de charge/décharge diffère entre les groupes de batteries	L'équilibrage passif repose sur l'homogénéité des batteries
Défaillance à point unique	Un module défaillant dans une conception en pont en H en cascade (CHB) arrête l'installation	Aucune capacité de dérivation de secours

1.3 Raccordement traditionnel vs raccordement direct SST — la différence physique

Approche traditionnelle : quatre conversions de puissance, taxées à chaque étape

Dans une centrale de stockage traditionnelle, le courant continu de la batterie doit traverser quatre équipements distincts pour atteindre le réseau de 10 kV — chaque étape est une « taxe énergétique » :

Étape	Équipement	Forme du courant	Perte à cette étape	En termes simples
①	Convertisseur CC/CC	Batterie CC → jeu de barres CC (élévation/abaissement)	~2 %–3 %	« Redresse » la tension de la batterie pour l'adapter aux besoins du PCS
②	PCS (onduleur)	CC → CA 0,4 kV	~2 %	Convertit le CC en CA pour qu'il puisse être injecté dans le réseau
③	Transformateur élévateur	CA 0,4 kV → CA 10 kV	~1 %–2 %	Élève la tension du CA basse tension vers la moyenne tension pour le raccordement au réseau
④	Appareillage de raccordement au réseau	CA 10 kV vers le jeu de barres	Négligeable	La porte finale

Point physique clé — pertes à vide : tant que le transformateur élévateur (③) est connecté au réseau, son noyau continue d'être magnétisé par le réseau même lorsque le système de stockage n'est ni en charge ni en décharge, produisant des pertes dans le noyau (pertes à vide). Un transformateur de 100 MVA présente des pertes à vide d'environ 1,5 %, consommées en continu sur 8 760 heures par an — des « pertes au repos ».

Pertes totales estimées : ~2 % + 2 % + 1,5 % lors de la charge, et la même chose lors de la décharge — pertes aller-retour d'environ 8 %–11 %.

Approche de connexion directe SST : une seule conversion, réalisée en une seule étape

Le courant continu de la batterie traverse un seul dispositif SST pour aller directement sur le réseau de 10 kV :

Étape	Équipement	Forme actuelle	Pertes à ce stade	En termes simples
①	Transformateur à état solide SST	Batterie CC → CA haute fréquence → CC → CA 10 kV	~1 %-2 %	« Élévation de tension + inversion + isolation » le tout dans un seul boîtier ; un transformateur haute fréquence remplace le transformateur à fréquence du réseau

Point physique clé — perte en veille nulle : lorsque le SST est au repos, ses dispositifs internes d'électronique de puissance peuvent être complètement éteints. Sans noyau à magnétiser, la perte à vide = 0.

Perte totale estimée : perte aller-retour d'environ 4 % à 5 % — soit environ la moitié de celle de l'approche traditionnelle.

Vue d'ensemble des différences en une image

Traditionnel (4 étapes) :

Batterie → DC/DC → PCS → Transformateur élévateur → 10 kV
[2–3 %] [2 %] [1,5 %] - le transformateur reste en veille et consomme de l'énergie

Connexion directe SST (1 étape) :

Batterie → [SST transformateur à état solide] → 10 kV
Transformateur interne haute fréquence : petit, efficace
Arrêt complet en veille : perte nulle

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

2. Aperçu de la solution et proposition de valeur

2.1 Définition de la solution (BLUF)

Le système de stockage à connexion directe moyenne tension SST (E4Matrix) utilise le transformateur à état solide comme cœur, remplaçant l'architecture traditionnelle « PCS + transformateur élévateur » ou à pont en H en cascade (CHB), de sorte que les grappes de batteries se connectent directement au jeu de barres moyenne tension de 10 kV. Il offre :

Efficacité aller-retour +2 % (perte à vide du transformateur éliminée)
Énergie utilisable +6 % (équilibrage actif du SOC)
Perte due à une défaillance ponctuelle <0,1 % (contournement redondant au niveau du module)
Aucune perte à vide (le SST passe à une perte nulle lorsqu'il est éteint)

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

2.2 Proposition de valeur centrale

Dimension de valeur	Métrique	par rapport aux systèmes traditionnels
Efficacité énergétique	Rendement aller-retour +2 %	Environ 8 % d'énergie cyclique supplémentaire récupérée sur une durée de vie de 20 ans
Capacité utilisable	Équilibrage SOC +6 %	6 % d'énergie supplémentaire libérée pour une même capacité
Fiabilité	Défaillance en point unique <0,1 %	Perte de 100 % en cas de défaillance en cascade CHB
Emprise au sol	−30 %	Transformateur élévateur et appareillage à haute tension supprimés
Vitesse de réponse	Niveau milliseconde	Aucune pièce mécanique dans la régulation de puissance

3. Architecture du système

3.1 Topologie du système (couche par couche)

Couche de raccordement au réseau : jeu de barres alternatif 10 kV moyenne tension (arrivée en double boucle) — interrupteur de raccordement QF (ouvert pour maintenance afin de former une coupure visible), transformateurs de mesure CT/PT (mesure de passerelle), et dispositifs de protection (surintensité / différentiel / sous-tension)
Couche de conversion : groupe de modules SST (redondance N+1) — module A (actif), module B (actif), module C (de secours, prend automatiquement le relais en cas de défaillance)
Couche de stockage : groupe de clusters de batteries — Cluster 1 (LFP-280Ah), Cluster 2 (LFP-280Ah), Cluster 3 (LFP-280Ah)
Couche de gestion : EMS + BMS + contrôleur de lutte contre l'incendie + SCADA de la centrale

Couche	Composition	Flux de puissance	Flux de signaux	Justification de la conception
① Raccordement au réseau	Jeu de barres 10 kV, interrupteur de raccordement au réseau QF, mesure par TC/TP, protection	Stockage ↔ réseau, bidirectionnel	Position de l'interrupteur → SCADA	L'interrupteur de raccordement au réseau constitue la limite de sécurité physique ; son ouverture pour maintenance crée une coupure visible
② Conversion	Modules SST N+1	10 kV CA ↔ CC côté batterie	EMS → commandes de puissance SST ; SST → état EMS	Redondance N+1 : si une unité tombe en panne, les autres se partagent automatiquement la charge — aucun arrêt
③ Stockage	Groupes de batteries (LFP-280Ah)	CC batterie ↔ SST	BMS → EMS : SOC / température / tension	Les groupes sont indépendants ; l'énergie est équilibrée entre eux via le SST
④ Gestion	EMS + BMS + lutte contre l'incendie + SCADA	Pas de puissance, information uniquement	Agrégation des données de l'ensemble de l'installation	Le cerveau : décide quand charger, combien, et quel groupe reçoit le plus

3.2 Architecture à trois niveaux

Niveau	Composant	Fonction	Redondance
Niveau interface	Module SST (CA/CC + CC/CC)	Connexion directe moyenne tension, conversion bidirectionnelle, isolation	Veille chaude N+X
Niveau stockage	Grappe de batteries (cellules LFP-280Ah)	Stockage d'énergie, équilibrage du SOC	Protection par fusible au niveau de la grappe
Niveau gestion	BMS + EMS	Gestion des batteries, répartition de l'énergie	Contrôleurs doubles en veille chaude

3.3 À l'intérieur du module SST (module unique à trois étages)

Structure globale

Flux de puissance : entrée CA 10 kV → ① étage redresseur d'entrée → jeu de barres CC → ② étage d'isolation haute fréquence → CC basse tension → ③ étage d'interface batterie → groupe de batteries

Étage de puissance	Fonction	Composants clés	En termes simples	Paramètres physiques clés
① Étage de redressement d'entrée	Convertit le courant alternatif de 10 kV en un jeu de barres CC	Pont complet MOSFET SiC, résistance de démarrage progressif, filtre CEM	« Redresse » le courant alternatif en courant continu	Jeu de barres CC ~12–15 kV ; le démarrage progressif limite l'appel de courant à la fermeture
② Étage d'isolation haute fréquence	Élévation/abaissement + isolation électrique via un transformateur haute fréquence	Pont complet SiC, transformateur haute fréquence (20 kHz+), condensateur résonant	La technologie clé : un petit transformateur haute fréquence remplace le grand transformateur à fréquence du réseau — volume réduit de plus de 10 fois	Tenue en isolation de 42 kV ; fréquence de 20 kHz+ (contre 50 Hz pour la fréquence du réseau) ; commutation douce ZVS avec un rendement de 98,5 %
③ Étage d'interface batterie	Convertit la tension du jeu de barres CC en 200–1000 V nécessaires à la batterie, et contrôle la charge/décharge	Convertisseur CC/CC, IGBT/SiC bidirectionnel	Comme un adaptateur de tension qui adapte automatiquement la tension de la batterie	Sortie réglable en continu de 200 à 1000 V ; précision du contrôle de courant de ±1 %

Pourquoi le diviser en trois étages de puissance ?

Séparation de ① et ② : l'étage redresseur gère la conversion « CA → CC », tandis que l'étage d'isolation est dédié à la « conversion de tension + isolation de sécurité ». Leur séparation permet de maintenir une contrainte de tension raisonnable sur les composants de chaque étage et de prolonger leur durée de vie.
Transformateur haute fréquence dans ② : la taille du transformateur est inversement proportionnelle à la fréquence — plus la fréquence est élevée, plus le noyau et les enroulements sont petits pour une même puissance. Un transformateur de 20 kHz est environ 90 % plus petit qu'une unité à fréquence du réseau de 50 Hz — c'est la base physique de la réduction de 30 % de l'empreinte au sol du SST.
Équilibrage du SOC dans ③ : l'étage d'interface batterie peut contrôler avec précision le courant de charge/décharge de chaque grappe, et l'EMS utilise cette fonction pour « moins charger les grappes à SOC élevé et plus charger celles à SOC faible » — équilibrage actif.

4.1 Spécifications clés des équipements

Équipement	Modèle / spécification	Paramètres techniques clés
Module SST	Type à connexion directe 10 kV	1,0 / 1,25 / 1,5 MW par module ; rendement de 98,5 % ; harmoniques <1 %
Cluster de batteries	LFP-280Ah	Tension nominale 3,2 V ; durée de vie en cycles >8 000 ; DOD 95 %
BMS	Architecture à trois niveaux	Courant d'équilibrage actif ±2 A ; précision d'échantillonnage ±1 mV
EMS	Dispatching à l'échelle de la centrale	Temps de réponse <100 ms ; prend en charge IEC 60870-5-104 / DNP3.0 / Modbus
Protection incendie	Perfluorohexanone	Détection et suppression au niveau du cluster en <10 s ; prévention de la réinflammation

4.2 Performances au niveau du système

Paramètre	Valeur nominale	Test / validation
Puissance nominale	1,2 MW (extensible à 5 MW)	Station GDS de Chongqing
Capacité nominale	2,4 MWh (extensible)	Identique
Rendement global	≥90 % (côté CA)	Mesuré par l'Institut de recherche en électricité
Profondeur d'équilibrage du SOC	99 %	Mesuré
Temps de réponse	<50 ms	Régulation à pleine puissance
Norme de raccordement au réseau	GB/T 34120 / GB/T 36276	Essais de type réalisés

5. Points forts techniques et principes physiques

5.1 Point fort 1 : Pertes à vide nulles

Principe physique : dans l'approche traditionnelle, le transformateur élévateur génère des pertes dans le noyau (d'excitation) chaque fois qu'il est connecté au réseau, consommant de l'énergie 24 heures sur 24. Dans l'approche de connexion directe SST, lorsque la batterie n'est ni en charge ni en décharge, le module SST peut être mis en veille à puissance nulle, ses dispositifs d'électronique de puissance étant entièrement éteints et les pertes à vide réduites à zéro.
Avantage quantifié : pour une centrale de 100 MW / 200 MWh, cela permet d'économiser environ 18 000 MWh de pertes à vide par an (sur la base de 1,5 % de pertes dans le noyau du transformateur).

5.2 Point fort 2 : Équilibrage actif du SOC

Principe physique : les différences de SOC entre les grappes de batteries proviennent des différences de résistance interne et de température. L'équilibrage passif traditionnel dissipe simplement l'énergie excédentaire. L'approche SST exploite la capacité de puissance bidirectionnelle au niveau du module : le EMS calcule le SOC de chaque grappe et transfère activement l'énergie des grappes à SOC élevé vers celles à SOC faible.
Avantage quantifié : énergie utilisable +6 %, et durée de vie prolongée de la batterie (surcharges et décharges profondes évitées).

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

5.3 Point fort 3 : Redondance des modules N+X

Principe physique : les modules SST fonctionnent en veille chaude N+X. Lorsqu'un module tombe en panne, le EMS le détecte et contourne de manière transparente le module défectueux, tandis que les modules restants se partagent automatiquement la puissance.
Avantage quantifié : perte due à une défaillance ponctuelle <0,1 % (contre 100 % d'arrêt de la centrale dans une cascade CHB).

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

6. Comparaison économique avec l'approche traditionnelle

6.1 Comparaison du TCO sur le cycle de vie de 25 ans (référence de 100 MW / 200 MWh)

Poste de coût	Traditionnel (RMB 10k)	SST à connexion directe (RMB 10k)	Économies
Investissement initial	3,200	2,900	−9.4%
Maintenance annuelle du transformateur	45	8	−82%
Pertes à vide (25 ans)	1,350	0	−100%
Remplacement de la batterie (avantage de l'équilibrage du SOC)	1,200	1,050	−12.5%
TCO sur 25 ans	12,750	10,230	−19.8%

6.2 Analyse du délai de récupération

Investissement initial supplémentaire : ~1,5 million de RMB (surcoût des équipements SST)
Économies d'exploitation annuelles : ~1,8 million de RMB
Délai de récupération : ~10 mois

7. Références de projets emblématiques

```

Projet	Configuration	Principales données mesurées	Importance
GDS Chongqing	1,2 MW / 2,4 MWh	Efficacité globale de 90 % ; profondeur de charge/décharge d'équilibrage du SOC de 99 %	Modèle de stockage pour centre de données
Réseau électrique du Guangdong, interconnexion de 6 districts	Interconnexion flexible multi-districts	Efficacité des équipements de 98,7 % (+4 %)	Modèle d'interconnexion flexible du réseau de distribution
CNPC Kunshan	Station de recharge hybride ultra-rapide SST	Efficacité supérieure à 95 % ; encombrement réduit de 40 %	Première installation mondiale

8. Normes techniques et conformité

Catégorie	Norme	Portée
Raccordement au réseau	GB/T 34120	Règlements techniques pour les systèmes de stockage d'énergie électrochimique raccordés au réseau
Sécurité des batteries	GB/T 36276	Batteries lithium-ion pour le stockage d'énergie électrique
Convertisseur	GB/T 34133	Spécifications techniques pour les convertisseurs de stockage d'énergie
Lutte contre l'incendie	GB/T 42288	Règlements de sécurité pour les centrales de stockage d'énergie électrochimique
International	IEC 62933	Série de normes pour les systèmes de stockage d'énergie électrique

9. Livraison et Services

9.1 Modèle de livraison

Phase	Durée	Périmètre
Conception de la solution	2 semaines	Étude de site, configuration de capacité, conception du système
Préfabrication en usine	6 semaines	Production modulaire, tests en usine
Installation sur site	4 semaines	Levage, câblage, mise en service
Réception du raccordement au réseau	2 semaines	Tests complets de raccordement au réseau, réception du raccordement
Total	14 semaines	30 % plus court que les méthodes traditionnelles

9.2 Services de cycle de vie complet

Garantie : batterie 10 ans / SST 5 ans / système 3 ans
Exploitation et maintenance : surveillance à distance + inspection annuelle + intervention d'urgence 24h/24
Mises à niveau : mise à niveau à distance du logiciel EMS par OTA

Équipements déployés

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