Ποια είναι τα τύποι ταξινόμησης των ηλεκτρικών μετατροπέων και οι εφαρμογές τους σε συστήματα αποθήκευσης ενέργειας;

Οι ηλεκτρικοί μετασχηματιστές είναι βασικός πρωτεύων εξοπλισμός στα ηλεκτρικά συστήματα, ο οποίος πραγματοποιεί τη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας και τη μετατροπή τάσης. Μέσω της αρχής της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, μετατρέπουν το εναλλασσόμενο ρεύμα ενός επιπέδου τάσης σε άλλο ή πολλαπλά επίπεδα τάσης. Στη διαδικασία μεταφοράς και διανομής, διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στη «μεταφορά με αύξηση τάσης και διανομή με μείωση τάσης», ενώ στα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, εκτελούν λειτουργίες αύξησης και μείωσης τάσης, εξασφαλίζοντας αποτελεσματική μετάδοση ισχύος και ασφαλή χρήση στο τελικό σημείο.

1. Ταξινόμηση των Ηλεκτρικών Μετασχηματιστών

Οι ηλεκτρικοί μετασχηματιστές είναι κρίσιμος πρωτεύων εξοπλισμός στα υποσταθμούς, με βασική λειτουργία την αύξηση ή μείωση της τάσης της ηλεκτρικής ενέργειας στα ηλεκτρικά συστήματα, ώστε να διευκολύνεται η λογική μετάδοση, διανομή και αξιοποίηση του ηλεκτρικού ρεύματος. Οι ηλεκτρικοί μετασχηματιστές στα συστήματα παροχής και διανομής μπορούν να ταξινομηθούν από διαφορετικές προοπτικές.

Με βάση τη λειτουργία: Διακρίνονται σε μετασχηματιστές αύξησης τάσης και μετασχηματιστές μείωσης τάσης. Σε συστήματα μακρινής μεταφοράς και διανομής, χρησιμοποιούνται μετασχηματιστές αύξησης τάσης για να αυξηθεί η σχετικά χαμηλή τάση που παράγεται από τις γεννήτριες σε υψηλότερα επίπεδα τάσης. Για τερματικούς υποσταθμούς που παρέχουν άμεσα σε διάφορους χρήστες, χρησιμοποιούνται μετασχηματιστές μείωσης τάσης.

Με βάση τον αριθμό φάσεων: Ταξινομούνται ως μονοφασικοί μετασχηματιστές και τριφασικοί μετασχηματιστές. Οι τριφασικοί μετασχηματιστές χρησιμοποιούνται ευρέως σε υποσταθμούς συστημάτων παροχής και διανομής, ενώ οι μονοφασικοί χρησιμοποιούνται γενικά για εξειδικευμένον μικρής χωρητικότητας μονοφασικό εξοπλισμό.

Με βάση το υλικό του αγωγού των τυλιγμάτων: Διακρίνονται σε μετασχηματιστές με χάλκινα τυλίγματα και μετασχηματιστές με αλουμινένια τυλίγματα. Στο παρελθόν, οι περισσότεροι εργοστασιακοί υποσταθμοί στην Κίνα χρησιμοποιούσαν μετασχηματιστές με αλουμινένια τυλίγματα, αλλά τώρα οι χαμηλής απώλειας μετασχηματιστές με χάλκινα τυλίγματα, ειδικά οι μεγάλης χωρητικότητας με χάλκινα τυλίγματα, έχουν βρει ευρύτερη εφαρμογή.

Με βάση τη διάταξη των τυλιγμάτων: Υπάρχουν τρεις τύποι: μετασχηματιστές δύο τυλιγμάτων, μετασχηματιστές τριών τυλιγμάτων και αυτομετασχηματιστές. Οι μετασχηματιστές δύο τυλιγμάτων χρησιμοποιούνται σε σημεία που απαιτείται μετατροπή μίας τάσης· οι μετασχηματιστές τριών τυλιγμάτων χρησιμοποιούνται όπου απαιτούνται δύο μετατροπές τάσης, με ένα πρωτεύον τύλιγμα και δύο δευτερεύοντα τυλίγματα. Οι αυτομετασχηματιστές χρησιμοποιούνται κυρίως σε εργαστήρια για ρύθμιση τάσης.

Με βάση τη μέθοδο ψύξης και τη μόνωση των τυλιγμάτων: Ταξινομούνται ως εμβαπτισμένοι σε λάδι μετασχηματιστές και ξηροί μετασχηματιστές. Οι εμβαπτισμένοι σε λάδι μετασχηματιστές προσφέρουν καλύτερη μόνωση και απόδοση απαγωγής θερμότητας, χαμηλότερο κόστος και ευκολότερη συντήρηση, γι’ αυτό και χρησιμοποιούνται ευρέως. Ωστόσο, λόγω της εύφλεκτης φύσης του λαδιού, δεν είναι κατάλληλοι για εύφλεκτα, εκρηκτικά ή περιβάλλοντα με υψηλές απαιτήσεις ασφαλείας. Οι ξηροί μετασχηματιστές διαθέτουν απλή δομή, μικρό μέγεθος, ελαφρύ βάρος και είναι πυράντοχοι, ανθεκτικοί στη σκόνη και στην υγρασία. Είναι πιο ακριβοί από τους εμβαπτισμένους σε λάδι μετασχηματιστές ίδιας ισχύος και χρησιμοποιούνται ευρέως σε τοποθεσίες με υψηλές απαιτήσεις πυρασφάλειας, ειδικά σε υποσταθμούς μέσα σε μεγάλα κτίρια, υπόγειους υποσταθμούς και συστήματα αποθήκευσης ενέργειας.

2. Μοντέλα Ηλεκτρικών Μετασχηματιστών και Ομάδες Σύνδεσης

Πρότυπα Ισχύος: Προς το παρόν, η Κίνα υιοθετεί τη σειρά R10 που προτείνεται από το IEC για τον καθορισμό των ισχύων των ηλεκτρικών μετασχηματιστών, όπου η ισχύς αυξάνεται σε πολλαπλάσια του R10=¹⁰√10=1,26. Συνηθισμένες τιμές είναι 100 kVA, 125 kVA, 160 kVA, 200 kVA, 250 kVA, 315 kVA, 400 kVA, 500 kVA, 630 kVA, 800 kVA, 1000 kVA, 1250 kVA, 1600 kVA, 2000 kVA, 2500 kVA και 3150 kVA. Οι μετασχηματιστές με ισχύ κάτω από 500 kVA θεωρούνται μικρού μεγέθους, εκείνοι μεταξύ 630~6300 kVA μεσαίου μεγέθους και αυτοί πάνω από 8000 kVA μεγάλου μεγέθους.

Ομάδες Σύνδεσης: Η ομάδα σύνδεσης ενός ηλεκτρικού μετασχηματιστή αναφέρεται στον τύπο της μεθόδου σύνδεσης που χρησιμοποιείται για τα πρωτεύοντα και δευτερεύοντα τυλίγματα και στην αντίστοιχη φασική σχέση μεταξύ των πρωτευόντων και δευτερευόντων τάσεων γραμμής. Συνηθισμένες ομάδες σύνδεσης είναι Yyn0, Dyn11, Yzn11, Yd11 και YNd11. Για μετασχηματιστές διανομής 6~10 kV (με δευτερεύουσα τάση 220/380 V), οι ομάδες σύνδεσης Yyn0 και Dyn11 είναι οι δύο συνηθισμένες.

• Ομάδα Σύνδεσης Yyn0: Η φασική σχέση μεταξύ της πρωτεύουσας και της αντίστοιχης δευτερεύουσας τάσης γραμμής μοιάζει με τη θέση του ωροδείκτη και του λεπτοδείκτη στις 12 η ώρα (0 η ώρα). Το πρωτεύον τύλιγμα χρησιμοποιεί αστεροειδή σύνδεση, ενώ το δευτερεύον τύλιγμα χρησιμοποιεί αστεροειδή σύνδεση με ουδέτερο αγωγό. Τα ρεύματα αρμονικών 3n-τάξης που ενδέχεται να υπάρχουν στο κύκλωμα θα εισαχθούν στο κοινό υψηλής τάσης δίκτυο. Επιπλέον, ο ουδέτερος αγωγός δεν πρέπει να υπερβαίνει το 25% του ρεύματος της φάσης. Επομένως, αυτή η μέθοδος σύνδεσης δεν είναι κατάλληλη για εφαρμογές με σοβαρά ανισορροπημένα φορτία ή εμφανείς αρμονικές 3n-τάξης. Ωστόσο, η ομάδα σύνδεσης Yyn0 απαιτεί χαμηλότερη αντοχή μόνωσης για το πρωτεύον τύλιγμα (σε σύγκριση με τη Dyn11), με αποτέλεσμα ελαφρώς χαμηλότερο κόστος κατασκευής. Σε συστήματα TN και TT, μπορούν να επιλεγούν μετασχηματιστές ομάδας σύνδεσης Yyn0 όταν το ρεύμα του ουδέτερου αγωγού που προκαλείται από το μονοφασικό ανισορροπημένο ρεύμα δεν υπερβαίνει το 25% του ονομαστικού ρεύματος του δευτερεύοντος τυλίγματος και το ρεύμα σε οποιαδήποτε φάση δεν υπερβαίνει το ονομαστικό ρεύμα σε πλήρη φόρτιση.

• Ομάδα Σύνδεσης Dyn11: Η φασική σχέση μεταξύ της πρωτεύουσας και της αντίστοιχης δευτερεύουσας τάσης γραμμής μοιάζει με τη θέση του ωροδείκτη και του λεπτοδείκτη στις 11 η ώρα. Στις ομάδες σύνδεσης Dyn11, σχηματίζονται κυκλικά ρεύματα στο πρωτεύον τύλιγμα, προκειμένου να αποτραπεί η εισαγωγή τους στο δημόσιο δίκτυο και να παρέχεται καταπολέμηση των αρμονικών υψηλότερης τάξης. Το δευτερεύον τύλιγμα χρησιμοποιεί αστεροειδή σύνδεση με ουδέτερο αγωγό και, σύμφωνα με τις προδιαγραφές, επιτρέπεται το ρεύμα του ουδέτερου αγωγού να φτάσει μέχρι 75% του φασικού ρεύματος. Επομένως, η ικανότητά τους να αντιμετωπίζουν μονοφασικά ανισορροπημένα ρεύματα είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή των μετασχηματιστών ομάδας σύνδεσης Yyn0. Για τα σύγχρονα συστήματα παροχής με γρήγορα αυξανόμενα μονοφασικά φορτία, ειδικά σε συστήματα TN και TT, οι μετασχηματιστές με σύνδεση Dyn11 έχουν διαδοθεί εντατικά και χρησιμοποιούνται ευρέως.

3. Εφαρμογή των Μετασχηματιστών σε Συστήματα Αποθήκευσης Ενέργειας

Η βασική ρολή των μετατροπέων σε συστήματα αποθήκευσης ενέργειας είναι η μετατροπή τάσης και η προσαρμογή της μεταφοράς ενέργειας, διασφαλίζοντας τον συμβατό επίπεδο τάσης μεταξύ των μπαταριών αποθήκευσης ενέργειας, των μετατροπέων/αντιστροφέων και του δικτύου ενέργειας/των φορτίων, επιτρέποντας έτσι αποτελεσματική και ασφαλή φόρτιση και ξεφόρτιση ενέργειας.

• Σύνδεση με το Δίκτυο: Σε συνεργασία με τα Συστήματα Μετατροπής Ενέργειας (PCS), οι μετατρόποι αυξάνουν την εξόδια AC τάση των PCS σε επίπεδο δικτύου (όπως 10kV/35kV) για σύνδεση με το δίκτυο, ή μειώνουν την τάση του δικτύου σε επίπεδα συμβατά με τα PCS κατά τη διάρκεια της ξεφόρτισης. Παρέχουν επίσης DC απομόνωση για να εμποδίσουν την εισαγωγή DC συστατικών στο δίκτυο.

• Εσωτερική Διανομή Ενέργειας: Σε μεγάλες εγκαταστάσεις αποθήκευσης ενέργειας, οι μετατρόποι λειτουργούν ως σταθμικοί μετατρόποι, μειώνοντας την υψηλή τάση του δικτύου σε χαμηλή τάση (όπως 0.4kV) για να παρέχουν σταθερή ενέργεια σε συστήματα μπαταριών αποθήκευσης, συστήματα βοηθητικής ενέργειας PCS, εξοπλισμό παρακολούθησης και άλλα συστατικά.

• Εφαρμογές Σε Πλευρά Χρήστη/Μικροδίκτυα: Για την αποθήκευση ενέργειας στην πλευρά του χρήστη, οι μετατρόποι μπορούν να μετατρέψουν την εξόδια τάση των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας σε επίπεδα συμβατά με τα φορτία των χρηστών, παρέχοντας άμεση ενέργεια στα φορτία. Σε μικροδίκτυα, μπορούν επίσης να ρυθμίζουν ευέλικτα την τάση για να προσαρμοστούν στις ενεργειακές αλληλεπιδράσεις μεταξύ διαφορετικών τύπων διανεμημένων πηγών ενέργειας και φορτίων.