Какие существуют типы классификации силовых трансформаторов и их применения в системах хранения энергии?

Силовые трансформаторы являются основным первичным оборудованием в электрических системах, обеспечивающим передачу электроэнергии и преобразование напряжения. На основе принципа электромагнитной индукции они преобразуют переменный ток одного уровня напряжения в другой или несколько уровней напряжения. В процессе передачи и распределения электроэнергии они играют ключевую роль в «повышении напряжения для передачи и понижении напряжения для распределения», а в системах хранения энергии выполняют функции повышения и понижения напряжения, обеспечивая эффективную передачу электроэнергии и безопасное её использование конечными потребителями.

1. Классификация силовых трансформаторов

Силовые трансформаторы являются ключевым первичным оборудованием подстанций, основная функция которых заключается в повышении или понижении напряжения электроэнергии в электрических системах для рациональной передачи, распределения и использования электроэнергии. Силовые трансформаторы в системах электроснабжения и распределения могут быть классифицированы с различных точек зрения.

По функции: делятся на повышающие и понижающие трансформаторы. В системах дальней передачи и распределения электроэнергии повышающие трансформаторы используются для увеличения относительно низкого напряжения, вырабатываемого генераторами, до более высоких уровней напряжения. Для оконечных подстанций, которые непосредственно снабжают различных потребителей, применяются понижающие трансформаторы.

По количеству фаз: классифицируются как однофазные и трёхфазные трансформаторы. Трёхфазные трансформаторы широко используются на подстанциях систем электроснабжения и распределения, тогда как однофазные трансформаторы, как правило, применяются для специализированного маломощного однофазного оборудования.

По материалу обмоточного провода: делятся на медные и алюминиевые трансформаторы. Ранее большинство заводских подстанций в Китае использовали алюминиевые трансформаторы, однако в настоящее время всё более широкое применение получают малопотерные медные трансформаторы, особенно мощные медные трансформаторы.

По конфигурации обмоток: существуют три типа: двухобмоточные, трёхобмоточные и автотрансформаторы. Двухобмоточные трансформаторы используются в местах, где требуется преобразование одного уровня напряжения; трёхобмоточные трансформаторы используются там, где необходимо два преобразования напряжения, имея одну первичную обмотку и две вторичные обмотки. Автотрансформаторы в основном используются в лабораториях для регулирования напряжения.

По способу охлаждения и изоляции обмоток: классифицируются как масляные и сухие трансформаторы. Масляные трансформаторы обладают лучшими характеристиками изоляции и теплоотвода, более низкой стоимостью и простотой обслуживания, поэтому они широко применяются. Однако из-за горючести масла их нельзя использовать в пожароопасных, взрывоопасных средах или в условиях с высокими требованиями к безопасности. Сухие трансформаторы отличаются простой конструкцией, небольшими размерами, малым весом, а также обладают огнестойкостью, пылезащитой и влагостойкостью. Они дороже масляных трансформаторов одинаковой мощности и широко применяются в местах с высокими требованиями к пожарной безопасности, особенно на подстанциях в крупных зданиях, подземных подстанциях и в системах хранения энергии.

2. Модели силовых трансформаторов и группы соединений

Стандарты мощности: в настоящее время в Китае принята серия R10 по рекомендации МЭК для определения мощностей силовых трансформаторов, при которой мощность увеличивается в кратности R10=¹⁰√10=1,26. Распространённые номиналы включают 100 кВА, 125 кВА, 160 кВА, 200 кВА, 250 кВА, 315 кВА, 400 кВА, 500 кВА, 630 кВА, 800 кВА, 1000 кВА, 1250 кВА, 1600 кВА, 2000 кВА, 2500 кВА и 3150 кВА. Трансформаторы ниже 500 кВА считаются малыми, между 630–6300 кВА — средними, а выше 8000 кВА — крупными.

Группы соединений: группа соединений силового трансформатора обозначает тип схемы соединения первичных и вторичных обмоток и соответствующую фазовую связь между линейными напряжениями первичной и вторичной сторон. Распространённые группы соединений включают Yyn0, Dyn11, Yzn11, Yd11 и YNd11. Для распределительных трансформаторов 6~10 кВ (со вторичным напряжением 220/380 В) наиболее часто используются две группы соединений: Yyn0 и Dyn11.

• Группа соединений Yyn0: фазовая связь между линейными напряжениями первичной и соответствующей вторичной стороны напоминает положение часовой и минутной стрелок в ноль часов (12 часов). Первичная обмотка соединена звездой, а вторичная обмотка — звездой с нейтралью. Возможные в цепи токи гармоник кратных 3n будут втекать в общую высоковольтную сеть. Кроме того, ток нейтрали не должен превышать 25 % от тока фазной линии. Поэтому данный способ соединения не подходит для применения при сильно несбалансированных нагрузках или выраженных гармониках кратных 3n. Однако для группы соединений Yyn0 требуется меньшая прочность изоляции первичной обмотки (по сравнению с Dyn11), что приводит к несколько более низкой стоимости производства. В системах TN и TT можно выбирать трансформаторы с группой соединений Yyn0, если ток нейтрали, вызванный однофазным несбалансированным током, не превышает 25 % от номинального тока вторичной обмотки, а ток в любой фазе не превышает номинальный ток при полной нагрузке.

• Группа соединений Dyn11: фазовая связь между линейными напряжениями первичной и соответствующей вторичной стороны напоминает положение часовой и минутной стрелок в 11 часов. В группе соединений Dyn11 в первичной обмотке образуются циркулирующие токи, препятствующие их втеканию в общественную сеть и обеспечивающие подавление высших гармоник. Вторичная обмотка соединена звездой с нейтралью, и согласно нормативам допускается, чтобы ток нейтрали достигал до 75 % от фазного тока. Следовательно, способность к работе с однофазными несбалансированными токами значительно выше, чем у трансформаторов с группой соединений Yyn0. Для современных систем электроснабжения с быстро растущими однофазными нагрузками, особенно в системах TN и TT, трансформаторы с соединением Dyn11 активно продвигаются и широко применяются.

3. Применение трансформаторов в системах хранения энергии

Основная роль трансформаторов в системах хранения энергии заключается в преобразовании напряжения и адаптации передачи энергии, обеспечивая соответствие уровней напряжения между аккумуляторами хранения энергии, преобразователями/инверторами и электрической сетью/потребителями, что позволяет эффективно и безопасно заряжать и разряжать энергию.

• Подключение к сети: В сочетании с системами преобразования мощности (PCS), трансформаторы повышают переменное напряжение, выходящее из PCS, до уровня сети (например, 10кВ/35кВ) для подключения к сети, или понижают сетевое напряжение до уровней, совместимых с PCS, во время разряда. Они также обеспечивают постоянную изоляцию, чтобы предотвратить введение постоянных компонентов в сеть.

• Внутреннее распределение энергии: В крупных станциях хранения энергии трансформаторы выступают в роли станционных трансформаторов, снижая высокое сетевое напряжение до низкого (например, 0,4кВ), чтобы обеспечить стабильное питание для кластеров аккумуляторов хранения энергии, вспомогательных систем PCS, оборудования мониторинга и других компонентов.

• Применение на стороне пользователя/микросети: Для хранения энергии на стороне пользователя трансформаторы могут преобразовать выходное напряжение систем хранения энергии до уровней, совместимых с нагрузками пользователей, напрямую поставляя энергию потребителям. В микросетях они также могут гибко регулировать напряжение, чтобы адаптироваться к взаимодействию энергии между различными типами распределенных источников энергии и нагрузок.