¿Cuáles son los tipos de clasificación de los transformadores de potencia y sus aplicaciones en sistemas de almacenamiento de energía?

Los transformadores de potencia son equipos primarios fundamentales en los sistemas de energía que realizan la transmisión de energía eléctrica y la conversión de voltaje. A través del principio de inducción electromagnética, convierten la corriente alterna de un nivel de voltaje a otro o múltiples niveles de voltaje. En el proceso de transmisión y distribución, desempeñan un papel crítico en la "transmisión de elevación y distribución de reducción", mientras que en los sistemas de almacenamiento de energía, realizan funciones de elevación y reducción de voltaje, asegurando una transmisión eficiente de energía y un uso final seguro.

1. Clasificación de los Transformadores de Potencia

Los transformadores de potencia son equipos primarios clave en las subestaciones, cuya función principal es aumentar o disminuir el voltaje de la energía eléctrica en los sistemas de energía para facilitar la transmisión, distribución y utilización racionales de la electricidad. Los transformadores de potencia en los sistemas de suministro y distribución pueden clasificarse desde diferentes perspectivas.

Por Función: Divididos en transformadores de elevación y transformadores de reducción. En los sistemas de transmisión y distribución a larga distancia, se utilizan transformadores de elevación para aumentar el voltaje relativamente bajo generado por los generadores a niveles de voltaje más altos. Para las subestaciones terminales que suministran directamente a diversos usuarios, se emplean transformadores de reducción.

Por Número de Fases: Clasificados como transformadores monofásicos y trifásicos. Los transformadores trifásicos se utilizan ampliamente en las subestaciones de los sistemas de suministro y distribución, mientras que los transformadores monofásicos se usan generalmente para equipos monofásicos de pequeña capacidad dedicados.

Por Material del Conductor de Bobinado: Divididos en transformadores con bobinado de cobre y transformadores con bobinado de aluminio. En el pasado, la mayoría de las subestaciones industriales en China utilizaban transformadores con bobinado de aluminio, pero ahora los transformadores de baja pérdida con bobinado de cobre, especialmente aquellos de gran capacidad, han ganado una aplicación más amplia.

Por Configuración del Bobinado: Existen tres tipos: transformadores de dos bobinados, transformadores de tres bobinados y autotransformadores. Los transformadores de dos bobinados se utilizan en lugares donde se requiere la transformación de un solo voltaje; los transformadores de tres bobinados se utilizan cuando se necesitan dos transformaciones de voltaje, caracterizándose por tener un bobinado primario y dos bobinados secundarios. Los autotransformadores se utilizan principalmente en laboratorios para la regulación de voltaje.

Por Método de Enfriamiento e Isolación del Bobinado: Clasificados como transformadores sumergidos en aceite y transformadores secos. Los transformadores sumergidos en aceite ofrecen un mejor rendimiento de aislamiento y disipación de calor, un costo menor y un mantenimiento más sencillo, lo que los hace ampliamente adoptados. Sin embargo, debido a la inflamabilidad del aceite, no son adecuados para entornos inflamables, explosivos o de alta exigencia de seguridad. Los transformadores secos tienen una estructura simple, tamaño pequeño, peso ligero, y son ignífugos, resistentes al polvo y a la humedad. Son más caros que los transformadores sumergidos en aceite de la misma capacidad y se utilizan ampliamente en ubicaciones de alta seguridad contra incendios, especialmente en subestaciones dentro de edificios grandes, subestaciones subterráneas y sistemas de almacenamiento de energía.

2. Modelos de Transformadores de Potencia y Grupos de Conexión

Estándares de Capacidad: Actualmente, China adopta la serie R10 recomendada por la IEC para determinar las capacidades de los transformadores de potencia, donde la capacidad aumenta en múltiplos de R10=¹⁰√10=1.26. Las calificaciones comunes incluyen 100kVA, 125kVA, 160kVA, 200kVA, 250kVA, 315kVA, 400kVA, 500kVA, 630kVA, 800kVA, 1000kVA, 1250kVA, 1600kVA, 2000kVA, 2500kVA y 3150kVA. Los transformadores por debajo de 500kVA se consideran de pequeño tamaño, los que están entre 630~6300kVA son de tamaño mediano, y los que superan 8000kVA son de gran tamaño.

Grupos de Conexión: El grupo de conexión de un transformador de potencia se refiere al método de conexión utilizado para los bobinados primario y secundario y la relación de fase correspondiente entre los voltajes de línea primaria y secundaria. Los grupos de conexión comunes incluyen Yyn0, Dyn11, Yzn11, Yd11 y YNd11. Para los transformadores de distribución de 6~10kV (con voltaje secundario de 220/380V), Yyn0 y Dyn11 son los dos grupos de conexión comúnmente utilizados.

• Grupo de Conexión Yyn0: La relación de fase entre los voltajes de línea primaria y secundaria correspondientes se asemeja a la posición de las manecillas de la hora y los minutos a la hora cero (las 12 en punto). El bobinado primario utiliza una conexión en estrella, mientras que el bobinado secundario utiliza una conexión en estrella con una línea neutra. Las corrientes armónicas de orden 3n posibles presentes en el circuito se inyectarán en la red de alta tensión común. Además, se especifica que la corriente de la línea neutra no debe exceder el 25% de la corriente de la línea de fase. Por lo tanto, este método de conexión no es adecuado para aplicaciones con cargas muy desequilibradas o armónicos de orden 3n prominentes. Sin embargo, el grupo de conexión Yyn0 requiere una resistencia aislante menor para el bobinado primario (en comparación con Dyn11), lo que resulta en costos de fabricación ligeramente menores. En los sistemas TN y TT, se pueden seleccionar transformadores del grupo de conexión Yyn0 cuando la corriente de la línea neutra causada por la corriente monofásica desequilibrada no excede el 25% de la corriente nominal del bobinado secundario, y la corriente en cualquier fase no excede la corriente nominal a plena carga.

• Grupo de Conexión Dyn11: La relación de fase entre los voltajes de línea primaria y secundaria correspondientes se asemeja a la posición de las manecillas de la hora y los minutos a las 11 en punto. En los grupos de conexión Dyn11, se forman corrientes circulantes en el bobinado primario, evitando su inyección en la red pública y proporcionando supresión de armónicos de orden superior. El bobinado secundario utiliza una conexión en estrella con una línea neutra, y según las especificaciones, la corriente de la línea neutra está permitida hasta el 75% de la corriente de fase. Por lo tanto, su capacidad para manejar corrientes monofásicas desequilibradas es mucho mayor que la de los transformadores del grupo de conexión Yyn0. Para los sistemas de suministro de energía modernos con cargas monofásicas en rápido aumento, especialmente en los sistemas TN y TT, los transformadores conectados en Dyn11 han sido promovidos vigorosamente y ampliamente aplicados.

3. Aplicación de los Transformadores en Sistemas de Almacenamiento de Energía

El papel fundamental de los transformadores en los sistemas de almacenamiento de energía es la transformación de voltaje y la adaptación de la transmisión de energía, asegurando la compatibilidad del nivel de voltaje entre las baterías de almacenamiento de energía, los convertidores/inversores y la red eléctrica/cargas, lo que permite una carga y descarga eficiente y segura de la energía.

• Conexión a la Red: Trabajando con Sistemas de Conversión de Energía (PCS), los transformadores elevan el voltaje AC de salida desde los PCS al nivel de la red (como 10kV/35kV) para la conexión a la red, o reducen el voltaje de la red a niveles compatibles con los PCS durante la descarga. También proporcionan aislamiento DC para prevenir que componentes DC sean inyectados a la red.

• Distribución Interna de Energía: En estaciones de almacenamiento de energía a gran escala, los transformadores actúan como transformadores de estación, reduciendo el voltaje de alta tensión de la red a un voltaje bajo (como 0.4kV) para proporcionar energía estable a los clusters de baterías de almacenamiento, sistemas auxiliares de PCS, equipos de monitoreo y otros componentes.

• Aplicaciones del Lado del Usuario/Microredes: Para el almacenamiento de energía del lado del usuario, los transformadores pueden convertir el voltaje de salida de los sistemas de almacenamiento de energía a niveles compatibles con las cargas del usuario, suministrando directamente energía a las cargas. En microredes, también pueden regular flexiblemente el voltaje para adaptarse a las interacciones de energía entre diferentes tipos de fuentes de energía distribuida y cargas.