Quais são os tipos de classificação dos transformadores de energia e suas aplicações nos sistemas de armazenamento de energia?

Transformadores de potência são equipamentos primários essenciais em sistemas elétricos que realizam a transmissão de energia elétrica e a conversão de tensão. Por meio do princípio da indução eletromagnética, convertem corrente alternada de um nível de tensão para outro ou múltiplos níveis de tensão. No processo de transmissão e distribuição, desempenham um papel crítico na "elevação para transmissão e redução para distribuição", enquanto em sistemas de armazenamento de energia, executam funções de elevação e redução de tensão, garantindo transmissão eficiente de energia e uso seguro no extremo final.

1. Classificação dos Transformadores de Potência

Os transformadores de potência são equipamentos primários fundamentais em subestações, cuja função principal é aumentar ou diminuir a tensão da energia elétrica nos sistemas de potência, facilitando a transmissão, distribuição e utilização racional da eletricidade. Os transformadores de potência nos sistemas de fornecimento e distribuição podem ser classificados sob diferentes perspectivas.

Por Função: Divididos em transformadores elevadores e transformadores redutores. Em sistemas de transmissão e distribuição de longa distância, transformadores elevadores são usados para aumentar a tensão relativamente baixa gerada pelos geradores até níveis de tensão mais altos. Para subestações terminais que fornecem diretamente diversos usuários, são empregados transformadores redutores.

Por Número de Fases: Classificados como transformadores monofásicos e transformadores trifásicos. Transformadores trifásicos são amplamente utilizados nas subestações dos sistemas de fornecimento e distribuição, enquanto transformadores monofásicos são geralmente usados para equipamentos monofásicos dedicados de pequena capacidade.

Por Material do Condutor do Enrolamento: Divididos em transformadores com enrolamento de cobre e transformadores com enrolamento de alumínio. No passado, a maioria das subestações industriais na China usava transformadores com enrolamento de alumínio, mas atualmente transformadores com enrolamento de cobre de baixas perdas, especialmente transformadores de grande capacidade com enrolamento de cobre, têm obtido maior aplicação.

Por Configuração do Enrolamento: Existem três tipos: transformadores de dois enrolamentos, transformadores de três enrolamentos e autotransformadores. Transformadores de dois enrolamentos são usados em locais que exigem conversão de um único nível de tensão; transformadores de três enrolamentos são usados onde são necessárias duas conversões de tensão, possuindo um enrolamento primário e dois enrolamentos secundários. Autotransformadores são majoritariamente usados em laboratórios para regulação de tensão.

Por Método de Refrigeração e Isolamento do Enrolamento: Classificados como transformadores imersos em óleo e transformadores a seco. Transformadores imersos em óleo oferecem melhor desempenho de isolamento e dissipação térmica, custo mais baixo e manutenção mais fácil, sendo amplamente adotados. No entanto, devido à inflamabilidade do óleo, não são adequados para ambientes inflamáveis, explosivos ou com requisitos elevados de segurança. Transformadores a seco possuem estrutura simples, tamanho reduzido, peso leve e são resistentes ao fogo, poeira e umidade. São mais caros que transformadores imersos em óleo de mesma capacidade e são amplamente utilizados em locais com alta exigência de segurança contra incêndios, especialmente em subestações dentro de grandes edifícios, subestações subterrâneas e sistemas de armazenamento de energia.

2. Modelos de Transformadores de Potência e Grupos de Ligação

Padrões de Capacidade: Atualmente, a China adota a série R10 recomendada pela IEC para determinar as capacidades dos transformadores de potência, na qual a capacidade aumenta em múltiplos de R10=¹⁰√10=1,26. As classificações comuns incluem 100kVA, 125kVA, 160kVA, 200kVA, 250kVA, 315kVA, 400kVA, 500kVA, 630kVA, 800kVA, 1000kVA, 1250kVA, 1600kVA, 2000kVA, 2500kVA e 3150kVA. Transformadores abaixo de 500kVA são considerados de pequeno porte, aqueles entre 630~6300kVA são de médio porte e os acima de 8000kVA são de grande porte.

Grupos de Ligação: O grupo de ligação de um transformador de potência refere-se ao tipo de método de conexão utilizado nos enrolamentos primário e secundário e à relação de fase correspondente entre as tensões de linha primária e secundária. Grupos de ligação comuns incluem Yyn0, Dyn11, Yzn11, Yd11 e YNd11. Para transformadores de distribuição de 6~10kV (com tensão secundária de 220/380V), Yyn0 e Dyn11 são os dois grupos de ligação mais comumente usados.

• Grupo de Ligação Yyn0: A relação de fase entre as tensões de linha primária e secundária correspondente assemelha-se à posição dos ponteiros das horas e minutos às zero hora (12 horas). O enrolamento primário utiliza ligação em estrela, enquanto o enrolamento secundário utiliza ligação em estrela com linha neutra. Correntes harmônicas de ordem 3n eventualmente presentes no circuito serão injetadas na rede pública de alta tensão. Além disso, especifica-se que a corrente na linha neutra não deve exceder 25% da corrente da linha de fase. Portanto, este método de ligação não é adequado para aplicações com cargas severamente desequilibradas ou harmônicos de ordem 3n proeminentes. Contudo, o grupo de ligação Yyn0 exige menor rigidez dielétrica para o enrolamento primário (em comparação com Dyn11), resultando em custos de fabricação ligeiramente mais baixos. Em sistemas TN e TT, transformadores com grupo de ligação Yyn0 podem ser selecionados quando a corrente na linha neutra causada por corrente desequilibrada monofásica não exceder 25% da corrente nominal do enrolamento secundário, e a corrente em qualquer fase não exceder a corrente nominal em carga total.

• Grupo de Ligação Dyn11: A relação de fase entre as tensões de linha primária e secundária correspondente assemelha-se à posição dos ponteiros das horas e minutos às 11 horas. Nos grupos de ligação Dyn11, correntes circulantes formam-se no enrolamento primário, impedindo sua injeção na rede pública e proporcionando supressão de harmônicos de ordem superior. O enrolamento secundário utiliza ligação em estrela com linha neutra, e conforme especificações, permite-se que a corrente na linha neutra atinja até 75% da corrente de fase. Portanto, sua capacidade de suportar correntes desequilibradas monofásicas é muito maior do que a dos transformadores com grupo de ligação Yyn0. Para sistemas modernos de fornecimento de energia com aumento rápido de cargas monofásicas, especialmente em sistemas TN e TT, transformadores com ligação Dyn11 têm sido fortemente promovidos e amplamente aplicados.

3. Aplicação de Transformadores em Sistemas de Armazenamento de Energia

O papel central dos transformadores nos sistemas de armazenamento de energia é a transformação de tensão e adaptação da transmissão de energia, garantindo a correspondência do nível de tensão entre as baterias de armazenamento de energia, conversores/inversores e a rede elétrica/cargas, permitindo assim uma carga e descarga eficiente e segura de energia.

• Conexão à Rede: Trabalhando com Sistemas de Conversão de Energia (PCS), os transformadores elevam a tensão CA de saída dos PCS para o nível da rede (como 10kV/35kV) para conexão à rede, ou reduzem a tensão da rede para níveis compatíveis com os PCS durante a descarga. Eles também fornecem isolamento DC para evitar que componentes DC sejam injetados na rede.

• Distribuição Interna de Energia: Em estações de armazenamento de energia em larga escala, os transformadores atuam como transformadores de estação, reduzindo a tensão de alta da rede para baixa tensão (como 0,4kV) para fornecer energia estável para clusters de baterias de armazenamento de energia, sistemas auxiliares de PCS, equipamentos de monitoramento e outros componentes.

• Aplicações do Lado do Usuário/Microredes: Para o armazenamento de energia do lado do usuário, os transformadores podem converter a tensão de saída dos sistemas de armazenamento de energia para níveis compatíveis com as cargas do usuário, fornecendo diretamente energia às cargas. Em microredes, eles também podem regular flexivelmente a tensão para se adaptar às interações de energia entre diferentes tipos de fontes de energia distribuída e cargas.