Soluzione di accumulo energetico a collegamento diretto in media tensione (E4Matrix)

Zhejiang Rockwell Energy Technology Co., Ltd.

Di fronte alle elevate perdite di energia e ai ricavi limitati dei progetti di accumulo di energia, le architetture di connessione alla rete convenzionali difficilmente possono soddisfare i requisiti per un funzionamento efficiente. La soluzione di accumulo di energia a connessione diretta in media tensione E4Matrix adotta la tecnologia dei trasformatori a stato solido SST per semplificare i collegamenti di conversione, garantendo un'efficienza e un'affidabilità superiori.

1. Contesto del settore e criticità

1.1 Contesto del settore

Nello scenario della strategia "dual carbon" e della costruzione del nuovo sistema elettrico, le centrali di accumulo stanno passando da un "ruolo di supporto" a una "necessità per la rete". Secondo l'Amministrazione Nazionale per l'Energia, la capacità cumulativa installata di nuovi sistemi di accumulo ha superato gli 80 GW nel 2025, con l'accumulo a media durata di 2-4 ore che diventa il principale motore di crescita. Tuttavia, due colli di bottiglia tecnici limitano ancora la diffusione su larga scala: l'efficienza di conversione dell'energia e il rischio di guasto a punto singolo.

1.2 Quattro criticità delle soluzioni tradizionali

Punto critico	Comportamento tradizionale	Causa radice fisica
Elevate perdite a vuoto	PCS + trasformatore elevatore mantenuti in tensione 24 ore su 24, con perdite dell'1%-2%	Le perdite nel nucleo di un trasformatore a frequenza di rete non possono essere eliminate
Molteplici stadi di conversione	Batteria → PCS → trasformatore → rete: 4 stadi di conversione	Si accumula una perdita dell'1%-3% a ogni stadio
Squilibrio SOC	La profondità di carica/scarica differisce tra i cluster di batterie	Il bilanciamento passivo si basa sull'omogeneità delle batterie
Guasto in singolo punto	Un modulo guasto in una configurazione a ponte H in cascata (CHB) arresta l'impianto	Nessuna capacità di bypass ridondante

1.3 Connessione tradizionale vs. connessione diretta SST — la differenza fisica

Approccio tradizionale: quattro conversioni di potenza, penalizzate a ogni passaggio

In un impianto di accumulo tradizionale, la corrente continua della batteria deve attraversare quattro dispositivi separati per raggiungere la rete a 10 kV: ogni stadio rappresenta una "tassa energetica":

Fase	Apparecchiatura	Forma della corrente	Perdita in questa fase	In termini semplici
①	Convertitore CC/CC	CC batteria → sbarra collettrice CC (innalzamento/abbassamento)	~2%–3%	"Raddrizza" la tensione della batteria al livello richiesto dal PCS
②	PCS (inverter)	CC → CA 0,4 kV	~2%	Converte la CC in CA in modo che possa entrare nella rete
③	Trasformatore elevatore	CA 0,4 kV → CA 10 kV	~1%–2%	Eleva la CA a bassa tensione a media tensione per il collegamento alla rete
④	Apparecchiature di manovra per la connessione alla rete	CA 10 kV sulla sbarra collettrice	Trascurabile	Il varco finale

Punto fisico chiave — perdita a vuoto: finché il trasformatore elevatore (③) è collegato alla rete, il suo nucleo continua a essere magnetizzato dalla rete anche quando il sistema di accumulo non è né in carica né in scarica, producendo una perdita nel nucleo (perdita a vuoto). Un trasformatore da 100 MVA ha una perdita a vuoto di circa l'1,5%, consumata continuamente per 8.760 ore all'anno — una "perdita a riposo".

Perdita totale stimata: ~2% + 2% + 1,5% in carica, lo stesso in scarica — perdita del ciclo completo di circa l'8%–11%.

Approccio di connessione diretta SST: una conversione, eseguita in un unico passaggio

La corrente continua della batteria passa attraverso un singolo dispositivo SST direttamente alla rete a 10 kV:

Fase	Apparecchiatura	Forma attuale	Perdita in questa fase	In termini semplici
①	Trasformatore a stato solido SST	CC batteria → CA ad alta frequenza → CC → CA 10 kV	~1%–2%	"Elevazione + inversione + isolamento" tutto in un unico contenitore; un trasformatore ad alta frequenza sostituisce quello a frequenza di rete

Punto fisico chiave — perdita in standby zero: quando l'SST è inattivo, i suoi dispositivi interni di elettronica di potenza possono essere spenti completamente. Senza alcun nucleo da magnetizzare, la perdita a vuoto = 0.

Perdita totale stimata: perdita di andata e ritorno di circa il 4%–5% — circa la metà rispetto all'approccio tradizionale.

Una visione d'insieme della differenza

Tradizionale (4 stadi):

Batteria → DC/DC → PCS → Trasformatore elevatore → 10 kV
[2–3%] [2%] [1.5%] - il trasformatore continua a girare al minimo e a consumare energia

Connessione diretta SST (1 stadio):

Batteria → [SST trasformatore a stato solido] → 10 kV
Trasformatore interno ad alta frequenza: piccolo, efficiente
Completamente spento in standby: perdita zero

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

2. Panoramica della soluzione e proposta di valore

2.1 Definizione della soluzione (BLUF)

Il sistema di accumulo a connessione diretta in media tensione SST (E4Matrix) utilizza il trasformatore a stato solido come nucleo, sostituendo l'architettura tradizionale "PCS + trasformatore elevatore" o a ponte H a cascata (CHB), in modo che i cluster di batterie si colleghino direttamente alla sbarra collettrice in media tensione a 10 kV. Offre:

Efficienza di andata e ritorno +2% (perdita a vuoto del trasformatore eliminata)
Energia utilizzabile +6% (bilanciamento attivo dello SOC)
Perdita per guasto a punto singolo di <0,1% (bypass ridondante a livello di modulo)
Nessuna perdita a vuoto (l'SST scende a perdita zero quando viene spento)

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

2.2 Proposta di valore principale

Dimensione del valore	Metrica	vs. tradizionale
Efficienza energetica	Efficienza round-trip +2%	~8% di energia di ciclo in più recuperata su una vita utile di 20 anni
Capacità utilizzabile	Bilanciamento SOC +6%	6% di energia in più rilasciata dalla stessa capacità
Affidabilità	Guasto a punto singolo <0,1%	Perdita del 100% in caso di guasto a cascata CHB
Ingombro	−30%	Trasformatore elevatore e quadri AT rimossi
Velocità di risposta	Livello millisecondico	Nessuna parte meccanica nella regolazione della potenza

3. Architettura del sistema

3.1 Topologia del sistema (strato per strato)

Livello di connessione alla rete: sbarra collettrice in media tensione AC a 10 kV (ingresso a doppio anello) — interruttore di connessione alla rete QF (aperto per manutenzione per formare un intervallo visibile), trasformatori di misura CT/PT (misurazione gateway) e dispositivi di protezione (sovracorrente / differenziale / sottotensione)
Livello di conversione: gruppo di moduli SST (ridondanza N+1) — modulo A (attivo), modulo B (attivo), modulo C (in standby, subentra automaticamente in caso di guasto)
Livello di accumulo: gruppo di cluster di batterie — Cluster 1 (LFP-280Ah), Cluster 2 (LFP-280Ah), Cluster 3 (LFP-280Ah)
Livello di gestione: EMS + BMS + controller antincendio + SCADA a livello di impianto

Livello	Composizione	Flusso di potenza	Flusso di segnali	Criteri di progettazione
① Connessione alla rete	Barra collettrice a 10 kV, interruttore di connessione alla rete QF, misurazione CT/PT, protezione	Accumulo ↔ rete, bidirezionale	Posizione dell'interruttore → SCADA	L'interruttore di connessione alla rete rappresenta il confine fisico di sicurezza; la sua apertura per la manutenzione crea un punto di separazione visibile
② Conversione	Moduli SST N+1	10 kV CA ↔ lato batteria CC	EMS → comandi di potenza SST; SST → stato EMS	Ridondanza N+1: se un'unità si guasta, le restanti condividono automaticamente il carico — nessun arresto
③ Accumulo	Cluster di batterie (LFP-280Ah)	CC batteria ↔ SST	BMS → EMS: SOC / temperatura / tensione	I cluster sono indipendenti; l'energia viene bilanciata tra di essi tramite l'SST
④ Gestione	EMS + BMS + antincendio + SCADA	Nessuna potenza, solo informazioni	Aggregazione dei dati dell'intero impianto	Il cervello: decide quando caricare, in che quantità e a quale cluster assegnare più energia

3.2 Architettura a tre livelli

Livello	Componente	Funzione	Ridondanza
Livello di interfaccia	Modulo SST (AC/DC + DC/DC)	Collegamento diretto in media tensione, conversione bidirezionale, isolamento	Hot standby N+X
Livello di accumulo	Cluster di batterie (celle LFP-280Ah)	Accumulo di energia, bilanciamento SOC	Protezione tramite fusibili a livello di cluster
Livello di gestione	BMS + EMS	Gestione delle batterie, dispacciamento dell'energia	Doppi controller in hot standby

3.3 All'interno del modulo SST (Modulo singolo in tre stadi)

Struttura complessiva

Flusso di potenza: ingresso CA 10 kV → ① stadio raddrizzatore di ingresso → sbarra collettrice CC → ② stadio di isolamento ad alta frequenza → CC a bassa tensione → ③ stadio di interfaccia per batterie → cluster di batterie

Stadio di potenza	Funzione	Componenti chiave	In termini semplici	Parametri fisici chiave
① Stadio di raddrizzamento in ingresso	Converte la CA a 10 kV in una sbarra CC	Ponte completo MOSFET in SiC, resistenza di avviamento graduale, filtro EMI	"Raddrizza" la CA in CC	Sbarra CC ~12–15 kV; l'avviamento graduale limita la corrente di spunto alla chiusura
② Stadio di isolamento ad alta frequenza	Innalzamento/abbassamento + isolamento elettrico tramite un trasformatore ad alta frequenza	Ponte completo in SiC, trasformatore ad alta frequenza (20 kHz+), condensatore risonante	La tecnologia chiave: un piccolo trasformatore ad alta frequenza sostituisce quello grande a frequenza di rete — volume ridotto di oltre 10 volte	Tenuta all'isolamento 42 kV; frequenza 20 kHz+ (rispetto ai 50 Hz della frequenza di rete); commutazione dolce ZVS con efficienza del 98,5%
③ Stadio di interfaccia batteria	Converte la tensione della sbarra CC nei 200–1000 V necessari alla batteria e controlla la carica/scarica	Convertitore CC/CC, IGBT/SiC bidirezionali	Come un adattatore di tensione che adatta automaticamente la tensione della batteria	Uscita regolabile in continuo 200–1000 V; precisione del controllo di corrente ±1%

Perché suddividerlo in tre stadi di potenza?

Separazione di ① e ②: lo stadio raddrizzatore gestisce la conversione "CA → CC", mentre lo stadio di isolamento è dedicato alla "conversione di tensione + isolamento di sicurezza". Separarli mantiene ragionevole lo stress di tensione sui dispositivi di ogni stadio e ne prolunga la vita utile.
Trasformatore ad alta frequenza in ②: le dimensioni del trasformatore sono inversamente proporzionali alla frequenza: maggiore è la frequenza, più piccoli sono il nucleo e gli avvolgimenti a parità di potenza. Un trasformatore a 20 kHz è circa il 90% più piccolo di un'unità a frequenza di rete a 50 Hz: questa è la base fisica della riduzione del 30% dell'ingombro dell'SST.
Bilanciamento SOC in ③: lo stadio di interfaccia della batteria può controllare con precisione la corrente di carica/scarica di ciascun cluster, e l'EMS utilizza questa funzione per "caricare meno i cluster ad alto SOC e di più quelli a basso SOC" — bilanciamento attivo.

4.1 Specifiche chiave delle apparecchiature

Apparecchiatura	Modello / specifiche	Parametri tecnici chiave
Modulo SST	Tipo a collegamento diretto a 10 kV	1,0 / 1,25 / 1,5 MW per modulo; efficienza del 98,5%; armoniche <1%
Cluster di batterie	LFP-280Ah	Tensione nominale 3,2 V; vita ciclica >8.000; DOD 95%
BMS	Architettura a tre livelli	Corrente di bilanciamento attivo ±2 A; precisione di campionamento ±1 mV
EMS	Dispacciamento a livello di impianto	Tempo di risposta <100 ms; supporta IEC 60870-5-104 / DNP3.0 / Modbus
Antincendio	Perfluoroesanone	Rilevamento e soppressione a livello di cluster <10 s; prevenzione della riaccensione

4.2 Prestazioni a livello di sistema

Parametro	Specifiche	Test / convalida
Potenza nominale	1,2 MW (espandibile a 5 MW)	Stazione GDS di Chongqing
Capacità nominale	2,4 MWh (espandibile)	Idem
Efficienza complessiva	≥90% (lato CA)	Misurato dall'Istituto di ricerca sull'energia elettrica
Profondità di bilanciamento SOC	99%	Misurato
Tempo di risposta	<50 ms	Regolazione a piena potenza
Standard di connessione alla rete	GB/T 34120 / GB/T 36276	Prova di tipo

5. Punti salienti tecnici e principi fisici

5.1 Punto saliente 1: Perdite a vuoto zero

Principio fisico: nell'approccio tradizionale, il trasformatore elevatore produce perdite nel nucleo (di eccitazione) ogni volta che è collegato alla rete, consumando energia 24 ore al giorno. Nell'approccio a connessione diretta SST, quando la batteria non è né in carica né in scarica, il modulo SST può essere impostato in standby a potenza zero, con i suoi dispositivi di elettronica di potenza completamente spenti e le perdite a vuoto ridotte a zero.
Vantaggio quantificato: per un impianto da 100 MW / 200 MWh, questo permette di risparmiare circa 18.000 MWh di perdite a vuoto all'anno (basato su una perdita del nucleo del trasformatore dell'1,5%).

5.2 Punto saliente 2: Bilanciamento attivo dello SOC

Principio fisico: le differenze di SOC tra i cluster di batterie derivano da differenze nella resistenza interna e nella temperatura. Il bilanciamento passivo tradizionale dissipa semplicemente l'energia in eccesso. L'approccio SST sfrutta la capacità di potenza bidirezionale a livello di modulo: l'EMS calcola lo SOC di ciascun cluster e trasferisce attivamente l'energia dai cluster ad alto SOC a quelli a basso SOC.
Vantaggio quantificato: energia utilizzabile +6% e maggiore durata della batteria (evitando sovraccarico/scarica eccessiva).

Soluzione di accumulo di energia a connessione diretta in media tensione (E4Matrix)

5.3 Punto saliente 3: Ridondanza del modulo N+X

Principio fisico: i moduli SST funzionano in hot standby N+X. Quando un modulo si guasta, l'EMS lo rileva e bypassa senza interruzioni il modulo difettoso, mentre i moduli rimanenti condividono automaticamente la potenza.
Vantaggio quantificato: perdita per guasto a punto singolo <0,1% (contro l'arresto del 100% dell'impianto in una cascata CHB).

Soluzione di accumulo di energia a connessione diretta in media tensione (E4Matrix)

6. Confronto economico con l'approccio tradizionale

6.1 Confronto del TCO del ciclo di vita a 25 anni (baseline 100 MW / 200 MWh)

Voce di costo	Tradizionale (RMB 10k)	SST a collegamento diretto (RMB 10k)	Risparmio
Investimento iniziale	3.200	2.900	−9,4%
Manutenzione annuale del trasformatore	45	8	−82%
Perdite a vuoto (25 anni)	1.350	0	−100%
Sostituzione della batteria (vantaggio del bilanciamento SOC)	1.200	1.050	−12,5%
TCO a 25 anni	12.750	10.230	−19,8%

6.2 Analisi del periodo di recupero

Investimento iniziale aggiuntivo: ~1,5 milioni di RMB (sovrapprezzo per apparecchiature SST)
Risparmi operativi annuali: ~1,8 milioni di RMB
Periodo di recupero: ~10 mesi

7. Riferimenti a progetti di spicco

Progetto	Configurazione	Dati di misurazione chiave	Significato
GDS Chongqing	1,2 MW / 2,4 MWh	Efficienza complessiva del 90%; profondità di carica/scarica per il bilanciamento SOC del 99%	Modello di accumulo per data center
Rete elettrica del Guangdong, interconnessione a 6 distretti	Interconnessione flessibile multi-distretto	Efficienza delle apparecchiature del 98,7% (+4%)	Modello di interconnessione flessibile per rete di distribuzione
CNPC Kunshan	Stazione di ricarica ibrida ultra-rapida SST	Efficienza superiore al 95%; ingombro ridotto del 40%	Prima installazione al mondo

8. Standard tecnici e conformità

Categoria	Norma	Ambito di applicazione
Connessione alla rete	GB/T 34120	Regolamenti tecnici per i sistemi di accumulo di energia elettrochimica connessi alla rete
Sicurezza delle batterie	GB/T 36276	Batterie agli ioni di litio per l'accumulo di energia elettrica
Convertitore	GB/T 34133	Specifiche tecniche per i convertitori per l'accumulo di energia
Antincendio	GB/T 42288	Norme di sicurezza per le centrali di accumulo di energia elettrochimica
Internazionale	IEC 62933	Serie di norme per i sistemi di accumulo di energia elettrica

9. Consegna e Servizi

9.1 Modello di consegna

Fase	Durata	Ambito
Progettazione della soluzione	2 settimane	Rilievo sul sito, configurazione della capacità, progettazione del sistema
Prefabbricazione in fabbrica	6 settimane	Produzione modulare, collaudo in fabbrica
Installazione in sito	4 settimane	Sollevamento, cablaggio, messa in servizio
Accettazione della connessione alla rete	2 settimane	Test completi di connessione alla rete, accettazione della rete
Totale	14 settimane	30% più breve rispetto al tradizionale

9.2 Servizi a ciclo di vita completo

Garanzia: batteria 10 anni / SST 5 anni / sistema 3 anni
O&M: monitoraggio remoto + ispezione annuale + risposta alle emergenze 24 ore su 24
Aggiornamenti: aggiornamento remoto OTA del software EMS

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