Solução de Armazenamento de Energia de Conexão Direta em Média Tensão (E4Matrix)

Zhejiang Rockwell Energy Technology Co., Ltd.

Diante das altas perdas de energia e da receita limitada dos projetos de armazenamento de energia, as arquiteturas convencionais de conexão à rede dificilmente atendem aos requisitos para uma operação eficiente. A solução de armazenamento de energia de conexão direta em média tensão E4Matrix adota a tecnologia de transformador de estado sólido SST para simplificar os elos de conversão, garantindo superior eficiência e confiabilidade.

1. Contexto do Setor e Pontos Críticos

1.1 Contexto do Setor

No contexto da estratégia de duplo carbono e da construção do novo sistema de energia, as usinas de armazenamento estão passando de um "papel de suporte" para uma "necessidade da rede". De acordo com a Administração Nacional de Energia, a capacidade acumulada instalada de armazenamento de novo tipo ultrapassou 80 GW em 2025, com o armazenamento de média duração de 2 a 4 horas tornando-se o principal motor de crescimento. No entanto, dois gargalos técnicos ainda limitam a implantação em larga escala: a eficiência da conversão de energia e o risco de falha em ponto único.

1.2 Quatro Pontos Críticos das Soluções Tradicionais

Ponto crítico	Comportamento tradicional	Causa raiz física
Alta perda em vazio	PCS + transformador elevador operam energizados 24 horas por dia, perdendo 1%–2%	A perda no núcleo de um transformador de frequência de rede não pode ser eliminada
Múltiplos estágios de conversão	Bateria → PCS → transformador → rede: 4 estágios de conversão	1%–3% de perda se acumula em cada estágio
Desequilíbrio de SOC	A profundidade de carga/descarga difere entre os clusters de baterias	O balanceamento passivo depende da consistência das baterias
Falha em ponto único	Um módulo com falha em um projeto de ponte H em cascata (CHB) paralisa a usina	Sem capacidade de bypass redundante

1.3 Conexão Direta Tradicional vs. SST — a Diferença Física

Abordagem tradicional: quatro conversões de potência, taxadas em cada etapa

Em uma usina de armazenamento tradicional, a corrente contínua da bateria deve passar por quatro dispositivos separados para alcançar a rede de 10 kV — cada etapa é uma "taxa de potência":

Etapa	Equipamento	Forma atual	Perda nesta etapa	Em termos simples
①	Conversor CC/CC	CC da bateria → barramento CC (elevação/redução)	~2%–3%	"Regulariza" a tensão da bateria para o que o PCS necessita
②	PCS (inversor)	CC → CA 0,4 kV	~2%	Converte CC em CA para que possa entrar na rede
③	Transformador elevador	CA 0,4 kV → CA 10 kV	~1%–2%	Eleva a CA de baixa tensão para média tensão para conexão à rede
④	Equipamento de manobra de conexão à rede	CA 10 kV para o barramento	Desprezível	O portão final

Ponto físico-chave — perda em vazio: desde que o transformador elevador (③) esteja conectado à rede, seu núcleo continua sendo magnetizado pela rede mesmo quando o sistema de armazenamento não está carregando nem descarregando, produzindo perdas no núcleo (perdas em vazio). Um transformador de 100 MVA tem uma perda em vazio de aproximadamente 1,5%, consumida continuamente ao longo de 8.760 horas por ano — uma "perda ociosa".

Perda total estimada: ~2% + 2% + 1,5% durante o carregamento, o mesmo novamente durante a descarga — perda de ciclo completo de cerca de 8%–11%.

Abordagem de conexão direta SST: uma conversão, realizada em uma única etapa

A corrente contínua da bateria passa por um único dispositivo SST diretamente para a rede de 10 kV:

Etapa	Equipamento	Forma atual	Perda nesta etapa	Em termos simples
①	Transformador de estado sólido SST	CC da bateria → CA de alta frequência → CC → CA 10 kV	~1%–2%	"Elevação + inversão + isolamento" tudo dentro de uma única caixa; um transformador de alta frequência substitui o de frequência de rede

Ponto físico chave — perda zero em standby: quando o SST está ocioso, seus dispositivos internos de eletrônica de potência podem ser completamente desligados. Sem núcleo para magnetizar, a perda em vazio = 0.

Perda total estimada: perda de ciclo completo de cerca de 4%–5% — aproximadamente a metade da abordagem tradicional.

Uma visão em uma imagem da diferença

Tradicional (4 estágios):

Bateria → DC/DC → PCS → Transformador elevador → 10 kV
[2–3%] [2%] [1,5%] - o transformador continua ocioso e consumindo energia

Conexão direta SST (1 estágio):

Bateria → [Transformador de estado sólido SST] → 10 kV
Transformador interno de alta frequência: pequeno, eficiente
Totalmente desligado em standby: perda zero

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

2. Visão Geral da Solução e Proposta de Valor

2.1 Definição da Solução (BLUF)

O sistema de armazenamento de conexão direta em média tensão SST (E4Matrix) utiliza o transformador de estado sólido como seu núcleo, substituindo a arquitetura tradicional "PCS + transformador elevador" ou a arquitetura de ponte H em cascata (CHB), de modo que os clusters de baterias se conectam diretamente à barra de média tensão de 10 kV. Ele proporciona:

Eficiência de ciclo completo +2% (perda em vazio do transformador eliminada)
Energia utilizável +6% (balanceamento ativo de SOC)
Perda por falha de ponto único de <0,1% (bypass redundante em nível de módulo)
Sem perda em vazio (o SST cai para perda zero quando desligado)

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

2.2 Proposta de Valor Central

Dimensão de valor	Métrica	vs. tradicional
Eficiência energética	Eficiência de ciclo completo +2%	~8% mais energia de ciclo recuperada ao longo de uma vida útil de 20 anos
Capacidade utilizável	Balanceamento de SOC +6%	6% mais energia liberada a partir da mesma capacidade
Confiabilidade	Falha de ponto único <0,1%	Perda de 100% em falha em cascata CHB
Área ocupada	−30%	Transformador elevador e equipamentos de manobra de alta tensão removidos
Velocidade de resposta	Nível de milissegundos	Sem partes mecânicas na regulação de potência

3. Arquitetura do Sistema

3.1 Topologia do Sistema (Camada por Camada)

Camada de conexão à rede: barra coletora de média tensão CA de 10 kV (entrada de loop duplo) — chave de conexão à rede QF (aberta para manutenção para formar uma lacuna visível), TC/TP de medição (medição de gateway) e dispositivos de proteção (sobrecorrente / diferencial / subtensão)
Camada de conversão: grupo de módulos SST (redundância N+1) — módulo A (ativo), módulo B (ativo), módulo C (em espera, assume automaticamente em caso de falha)
Camada de armazenamento: grupo de clusters de baterias — Cluster 1 (LFP-280Ah), Cluster 2 (LFP-280Ah), Cluster 3 (LFP-280Ah)
Camada de gerenciamento: EMS + BMS + controlador de combate a incêndio + SCADA de nível de usina

Camada	Composição	Fluxo de potência	Fluxo de sinal	Justificativa de projeto
① Conexão à rede	Barramento de 10 kV, disjuntor de conexão à rede QF, medição TC/TP, proteção	Armazenamento ↔ rede, bidirecional	Posição da chave → SCADA	O disjuntor de conexão à rede é o limite físico de segurança; abri-lo para manutenção cria um seccionamento visível
② Conversão	Módulos SST N+1	10 kV CA ↔ CC do lado da bateria	EMS → comandos de potência do SST; SST → status do EMS	Redundância N+1: se qualquer unidade falhar, o restante compartilha a carga automaticamente — sem desligamento
③ Armazenamento	Conjuntos de baterias (LFP-280Ah)	CC da bateria ↔ SST	BMS → EMS: SOC / temperatura / tensão	Os conjuntos são independentes; a energia é equilibrada entre eles através do SST
④ Gerenciamento	EMS + BMS + combate a incêndio + SCADA	Sem potência, apenas informação	Agregação de dados de toda a usina	O cérebro: decide quando carregar, quanto e qual conjunto recebe mais

3.2 Arquitetura de Três Níveis

Nível	Componente	Função	Redundância
Nível de interface	Módulo SST (CA/CC + CC/CC)	Conexão direta de média tensão, conversão bidirecional, isolamento	Hot standby N+X
Nível de armazenamento	Cluster de baterias (células LFP-280Ah)	Armazenamento de energia, balanceamento de SOC	Proteção por fusível no nível do cluster
Nível de gerenciamento	BMS + EMS	Gerenciamento de bateria, despacho de energia	Controladores duplos em hot standby

3.3 Interior do Módulo SST (Módulo Único em Três Estágios)

Estrutura geral

Fluxo de potência: entrada CA de 10 kV → ① estágio retificador de entrada → barramento CC → ② estágio de isolamento de alta frequência → CC de baixa tensão → ③ estágio de interface da bateria → cluster de baterias

Estágio de potência	Função	Componentes principais	Em termos simples	Principais parâmetros físicos
① Estágio de retificação de entrada	Converte 10 kV CA em um barramento CC	Ponte completa com MOSFET de SiC, resistor de partida suave, filtro EMI	"Retifica" a CA em CC	Barramento CC ~12–15 kV; partida suave limita a corrente de irrupção no fechamento
② Estágio de isolamento de alta frequência	Elevação/rebaixamento + isolamento elétrico através de um transformador de alta frequência	Ponte completa de SiC, transformador de alta frequência (20 kHz+), capacitor ressonante	A tecnologia central: um pequeno transformador de alta frequência substitui o grande transformador de frequência de rede — volume reduzido em mais de 10 vezes	Suporte de isolamento de 42 kV; frequência de 20 kHz+ (vs. 50 Hz de frequência de rede); comutação suave ZVS com 98,5% de eficiência
③ Estágio de interface da bateria	Converte a tensão do barramento CC para os 200–1000 V necessários para a bateria e controla o carregamento/descarregamento	Conversor CC/CC, IGBT/SiC bidirecional	Como um adaptador de tensão que corresponde automaticamente à tensão da bateria	Saída contínua de 200–1000 V; precisão do controle de corrente de ±1%

Por que dividir em três estágios de potência?

Separação de ① e ②: o estágio retificador lida com "CA → CC", enquanto o estágio de isolamento é dedicado à "conversão de tensão + isolamento de segurança". Separá-los mantém a tensão elétrica nos dispositivos de cada estágio em níveis razoáveis e prolonga a vida útil.
Transformador de alta frequência em ②: o tamanho do transformador é inversamente proporcional à frequência — quanto maior a frequência, menor o núcleo e os enrolamentos para a mesma potência. Um transformador de 20 kHz é aproximadamente 90% menor que uma unidade de frequência de rede de 50 Hz — esta é a base física da redução de 30% na área ocupada pelo SST.
Equilíbrio de SOC em ③: o estágio de interface da bateria pode controlar com precisão a corrente de carga/descarga de cada cluster, e o EMS utiliza isso para "carregar menos os clusters com alto SOC e mais os clusters com baixo SOC" — equilíbrio ativo.

4.1 Especificações Principais dos Equipamentos

Equipamento	Modelo / especificação	Principais parâmetros técnicos
Módulo SST	Tipo de conexão direta de 10 kV	1,0 / 1,25 / 1,5 MW por módulo; 98,5% de eficiência; harmônicos <1%
Cluster de baterias	LFP-280Ah	Tensão nominal de 3,2 V; vida útil do ciclo >8.000; DOD 95%
BMS	Arquitetura de três níveis	Corrente de balanceamento ativo ±2 A; precisão de amostragem ±1 mV
EMS	Despacho no nível da usina	Resposta <100 ms; suporta IEC 60870-5-104 / DNP3.0 / Modbus
Combate a incêndio	Perfluorohexanona	Detecção e supressão em nível de cluster <10 s; prevenção de reignição

4.2 Desempenho em Nível de Sistema

Parâmetro	Especificação	Teste / Validação
Potência nominal	1,2 MW (expansível para 5 MW)	Estação GDS Chongqing
Capacidade nominal	2,4 MWh (expansível)	O mesmo
Eficiência geral	≥90% (lado CA)	Medido pelo Instituto de Pesquisa de Energia Elétrica
Profundidade de balanceamento de SOC	99%	Medido
Tempo de resposta	<50 ms	Regulação em plena potência
Padrão de conexão à rede	GB/T 34120 / GB/T 36276	Ensaio de tipo

5. Destaques Técnicos e Princípios Físicos

5.1 Destaque 1: Perdas em Vazio Nulas

Princípio físico: na abordagem tradicional, o transformador elevador produz perdas no núcleo (excitação) sempre que está conectado à rede, consumindo energia 24 horas por dia. Na abordagem de conexão direta SST, quando a bateria não está nem carregando nem descarregando, o módulo SST pode ser configurado para standby de potência zero, seus dispositivos de eletrônica de potência totalmente desligados e as perdas em vazio reduzidas a zero.
Benefício quantificado: para uma usina de 100 MW / 200 MWh, isso economiza aproximadamente 18.000 MWh de perdas em vazio por ano (com base em 1,5% de perdas no núcleo do transformador).

5.2 Destaque 2: Balanceamento Ativo de SOC

Princípio físico: as diferenças de SOC entre os clusters de baterias surgem de diferenças na resistência interna e na temperatura. O balanceamento passivo tradicional simplesmente dissipa o excesso de energia. A abordagem SST explora a capacidade de potência bidirecional no nível do módulo: o EMS calcula o SOC de cada cluster e transfere ativamente energia dos clusters de alto SOC para os de baixo SOC.
Benefício quantificado: energia utilizável +6% e maior vida útil da bateria (sobrecarga/sobredescarga evitadas).

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

5.3 Destaque 3: Redundância de Módulos N+X

Princípio físico: os módulos SST operam em standby quente N+X. Quando qualquer módulo falha, o EMS o detecta e contorna perfeitamente o módulo com defeito, enquanto os módulos restantes compartilham automaticamente a potência.
Benefício quantificado: perda por falha de ponto único <0,1% (vs. desligamento de 100% da usina em uma cascata CHB).

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

6. Comparação Econômica com a Abordagem Tradicional

6.1 Comparação do TCO do Ciclo de Vida de 25 Anos (linha de base de 100 MW / 200 MWh)

```

Item de custo	Tradicional (RMB 10k)	SST de conexão direta (RMB 10k)	Economia
Investimento inicial	3,200	2,900	−9.4%
Manutenção anual do transformador	45	8	−82%
Perda em vazio (25 anos)	1,350	0	−100%
Substituição da bateria (benefício de balanceamento de SOC)	1,200	1,050	−12.5%
TCO de 25 anos	12,750	10,230	−19.8%

6.2 Análise de Payback

Investimento inicial adicional: ~RMB 1,5 milhão (prêmio do equipamento SST)
Economia operacional anual: ~RMB 1,8 milhão
Período de payback: ~10 meses

7. Referências de Projetos Emblemáticos

Projeto	Configuração	Principais dados medidos	Significância
GDS Chongqing	1,2 MW / 2,4 MWh	90% de eficiência geral; 99% de profundidade de carga/descarga com balanceamento de SOC	Modelo de armazenamento de centro de dados
Rede Elétrica de Guangdong, interconexão de 6 distritos	Interconexão flexível multidistritos	98,7% de eficiência do equipamento (+4%)	Modelo de interconexão flexível de rede de distribuição
CNPC Kunshan	Estação de carregamento híbrida ultrarrápida SST	Eficiência de 95%+; -40% na área ocupada	Primeira instalação mundial

8. Normas Técnicas e Conformidade

Categoria	Norma	Escopo
Conexão à rede	GB/T 34120	Regulamentos técnicos para sistemas de armazenamento de energia eletroquímica conectados à rede
Segurança de baterias	GB/T 36276	Baterias de íons de lítio para armazenamento de energia elétrica
Conversor	GB/T 34133	Especificações técnicas para conversores de armazenamento de energia
Combate a incêndio	GB/T 42288	Regulamentos de segurança para usinas de armazenamento de energia eletroquímica
Internacional	IEC 62933	Série de normas para sistemas de armazenamento de energia elétrica

9. Entrega e Serviços

9.1 Modelo de Entrega

Fase	Duração	Escopo
Projeto da solução	2 semanas	Levantamento de local, configuração de capacidade, projeto do sistema
Pré-fabricação em fábrica	6 semanas	Produção modular, testes em fábrica
Instalação no local	4 semanas	Içamento, cabeamento, comissionamento
Aceitação da conexão à rede	2 semanas	Testes completos de conexão à rede, aceitação pela rede
Total	14 semanas	30% mais curto que o tradicional

9.2 Serviços de Ciclo de Vida Completo

Garantia: bateria 10 anos / SST 5 anos / sistema 3 anos
O&M: monitoramento remoto + inspeção anual + resposta de emergência 24 horas
Atualizações: atualização remota OTA do software EMS

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