Решение для накопления энергии среднего напряжения прямого подключения (E4Matrix)

Zhejiang Rockwell Energy Technology Co., Ltd.

Сталкиваясь с высокими потерями энергии и ограниченной доходностью проектов по накоплению энергии, традиционные архитектуры подключения к сети едва ли могут удовлетворить требования эффективной эксплуатации. Решение для накопления энергии E4Matrix с прямым подключением к среднему напряжению использует технологию твердотельных трансформаторов SST для упрощения цепей преобразования, обеспечивая превосходный КПД и надежность.

1. Отраслевой контекст и болевые точки

1.1 Отраслевой контекст

На фоне стратегии «двойного углерода» и формирования новой энергосистемы накопительные электростанции переходят из «вспомогательной роли» в разряд «необходимого элемента сети». Согласно данным Национального энергетического управления, совокупная установленная мощность накопителей энергии нового типа превысила 80 ГВт в 2025 году, при этом основным драйвером роста становятся системы накопления энергии средней продолжительности на 2–4 часа. Тем не менее, два технических «узких места» по-прежнему ограничивают масштабное внедрение: эффективность преобразования энергии и риск отказа в единой точке.

1.2 Четыре болевые точки традиционных решений

Болевая точка	Традиционный подход	Физическая первопричина
Высокие потери холостого хода	PCS + повышающий трансформатор работают под напряжением круглосуточно, теряя 1%–2%	Потери в сердечнике трансформатора промышленной частоты невозможно устранить
Множество ступеней преобразования	Аккумулятор → PCS → трансформатор → сеть: 4 ступени преобразования	На каждой ступени накапливаются потери в 1%–3%
Дисбаланс SOC	Глубина заряда/разряда различается между аккумуляторными кластерами	Пассивная балансировка зависит от однородности характеристик аккумуляторов
Отказ в одной точке	Один вышедший из строя модуль в конструкции с каскадным H-мостом (CHB) останавливает работу электростанции	Отсутствие резервной возможности обхода

1.3 Традиционное подключение и прямое подключение SST — физические различия

Традиционный подход: четыре преобразования мощности, с потерями на каждом этапе

В традиционной накопительной электростанции постоянный ток аккумуляторной батареи должен пройти через четыре отдельных устройства для подключения к сети 10 кВ — каждый этап представляет собой «налог на мощность»:

Этап	Оборудование	Форма тока	Потери на данном этапе	Простыми словами
①	Преобразователь DC/DC	Постоянный ток АКБ → шина постоянного тока (повышение/понижение)	~2%–3%	«Приводит» напряжение АКБ к уровню, необходимому для PCS
②	PCS (инвертор)	Постоянный ток → Переменный ток 0,4 кВ	~2%	Преобразует постоянный ток в переменный для подачи в сеть
③	Повышающий трансформатор	Переменный ток 0,4 кВ → Переменный ток 10 кВ	~1%–2%	Повышает низковольтный переменный ток до среднего напряжения для подключения к сети
④	Коммутационное оборудование для подключения к сети	Переменный ток 10 кВ на шину	Незначительные	Финальный шлюз

Ключевой физический аспект — потери холостого хода: пока повышающий трансформатор (③) подключен к сети, его сердечник продолжает намагничиваться сетью, даже когда система накопления энергии не заряжается и не разряжается, что приводит к потерям в сердечнике (потерям холостого хода). Трансформатор мощностью 100 МВА имеет потери холостого хода примерно 1,5%, которые потребляются непрерывно в течение 8760 часов в год — это «потери простоя».

Оценочные общие потери: ~2% + 2% + 1,5% при зарядке, столько же при разрядке — потери полного цикла составляют около 8%–11%.

Подход прямого подключения SST: одно преобразование, выполняемое за один шаг

Постоянный ток от батареи проходит через одно устройство SST напрямую в сеть 10 кВ:

Шаг	Оборудование	Текущая форма	Потери на данном этапе	Простыми словами
①	Твердотельный трансформатор SST	Постоянный ток АКБ → высокочастотный переменный ток → постоянный ток → переменный ток 10 кВ	~1%–2%	«Повышение + инвертирование + изоляция» в одном корпусе; высокочастотный трансформатор заменяет трансформатор промышленной частоты

Ключевая физическая особенность — нулевые потери в режиме ожидания: когда SST находится в режиме простоя, его внутренние силовые электронные устройства могут быть полностью отключены. Поскольку отсутствует магнитопровод для намагничивания, потери холостого хода = 0.

Оценочные общие потери: потери на цикл около 4%–5% — примерно вдвое меньше, чем при традиционном подходе.

Наглядное сравнение различий

Традиционная схема (4 ступени):

Аккумулятор → DC/DC → PCS → Повышающий трансформатор → 10 кВ
[2–3%] [2%] [1,5%] — трансформатор продолжает работать вхолостую и потреблять энергию

Прямое подключение SST (1 ступень):

Аккумулятор → [SST твердотельный трансформатор] → 10 кВ
Внутренний высокочастотный трансформатор: компактный, эффективный
Полное отключение в режиме ожидания: нулевые потери

Решение для накопления энергии с прямым подключением к средней сети (E4Matrix)

2. Обзор решения и ценностное предложение

2.1 Определение решения (BLUF)

Система накопления энергии с прямым подключением к средней сети на базе SST (E4Matrix) использует твердотельный трансформатор в качестве основного элемента, заменяя традиционную архитектуру «PCS + повышающий трансформатор» или каскадную H-мостовую (CHB) архитектуру, благодаря чему аккумуляторные кластеры подключаются непосредственно к шине среднего напряжения 10 кВ. Это обеспечивает:

КПД цикла +2% (устранены потери холостого хода трансформатора)
Полезная энергия +6% (активная балансировка SOC)
Потери при единичном отказе <0,1% (резервное байпасирование на уровне модуля)
Отсутствие потерь холостого хода (при отключении SST потери снижаются до нуля)

Решение для накопления энергии с прямым подключением к средней сети (E4Matrix)

2.2 Ключевое ценностное предложение

Ценностный параметр	Показатель	в сравнении с традиционными
Энергоэффективность	КПД полного цикла +2%	~на 8% больше энергии цикла рекуперируется в течение 20-летнего срока службы
Полезная емкость	Балансировка SOC +6%	на 6% больше энергии высвобождается при той же емкости
Надежность	Отказ в единственной точке <0,1%	100% потерь при каскадном отказе CHB
Занимаемая площадь	−30%	Повышающий трансформатор и высоковольтное распределительное устройство исключены
Скорость отклика	Миллисекундный уровень	Отсутствие механических частей при регулировании мощности

3. Архитектура системы

3.1 Топология системы (послойно)

Уровень подключения к сети: 10 кВ шина среднего напряжения переменного тока (двухпетлевой ввод) — выключатель подключения к сети QF (отключаемый для технического обслуживания с образованием видимого разрыва), измерительные ТТ/ТН (шлюзовой учет) и устройства защиты (максимальная токовая / дифференциальная / защита от понижения напряжения)
Уровень преобразования: группа модулей SST (резервирование N+1) — модуль A (активный), модуль B (активный), модуль C (резервный, автоматически принимает нагрузку при отказе)
Уровень накопления: группа аккумуляторных кластеров — Кластер 1 (LFP-280 Ач), Кластер 2 (LFP-280 Ач), Кластер 3 (LFP-280 Ач)
Уровень управления: EMS + BMS + контроллер пожаротушения + SCADA уровня станции

Слой	Состав	Поток мощности	Поток сигналов	Обоснование проектных решений
① Подключение к сети	Шина 10 кВ, сетевой выключатель QF, учет с помощью ТТ/ТН, защита	Накопитель ↔ сеть, двунаправленный	Положение выключателя → SCADA	Сетевой выключатель является физической границей безопасности; его отключение для технического обслуживания создает видимый разрыв
② Преобразование	N+1 модулей SST	Переменный ток 10 кВ ↔ постоянный ток на стороне аккумуляторной батареи	EMS → команды мощности SST; SST → статус EMS	Резервирование N+1: при отказе любого модуля остальные автоматически распределяют нагрузку — без отключения
③ Накопитель	Кластеры аккумуляторных батарей (LFP-280 Ач)	Постоянный ток АКБ ↔ SST	BMS → EMS: SOC / температура / напряжение	Кластеры независимы; балансировка энергии между ними осуществляется через SST
④ Управление	EMS + BMS + система пожаротушения + SCADA	Передача мощности отсутствует, только информация	Агрегация данных по всей станции	"Мозг" системы: определяет, когда заряжать, в каком объеме и какой кластер получит больший заряд

3.2 Трехуровневая архитектура

Уровень	Компонент	Функция	Резервирование
Уровень интерфейса	Модуль SST (AC/DC + DC/DC)	Прямое подключение к среднему напряжению, двунаправленное преобразование, гальваническая развязка	Горячий резерв N+X
Уровень накопления	Кластер аккумуляторов (элементы LFP-280 Ач)	Накопление энергии, балансировка SOC	Предохранительная защита на уровне кластера
Уровень управления	BMS + EMS	Управление аккумуляторными батареями, диспетчеризация энергии	Дублированные контроллеры в горячем резерве

3.3 Внутреннее устройство модуля SST (один модуль в трех ступенях)

Общая структура

Поток мощности: вход 10 кВ переменного тока → ① входная выпрямительная ступень → шина постоянного тока → ② ступень высокочастотной гальванической развязки → низковольтное постоянное напряжение → ③ ступень интерфейса аккумуляторной батареи → кластер аккумуляторных батарей

Силовой каскад	Функция	Ключевые компоненты	Простым языком	Ключевые физические параметры
① Каскад входного выпрямителя	Преобразует переменное напряжение 10 кВ в шину постоянного тока	Полномостовой преобразователь на SiC MOSFET, резистор плавного пуска, фильтр ЭМС	«Выпрямляет» переменный ток в постоянный	Шина постоянного тока ~12–15 кВ; плавный пуск ограничивает бросок тока при включении
② Каскад высокочастотной гальванической развязки	Повышение/понижение напряжения + гальваническая развязка посредством высокочастотного трансформатора	Полномостовой преобразователь на SiC, высокочастотный трансформатор (20 кГц и выше), резонансный конденсатор	Ключевая технология: компактный высокочастотный трансформатор заменяет громоздкий трансформатор промышленной частоты — объем уменьшен более чем в 10 раз	Изоляция выдерживает 42 кВ; частота 20 кГц и выше (по сравнению с промышленной частотой 50 Гц); мягкая коммутация ZVS с КПД 98,5%
③ Каскад сопряжения с аккумуляторной батареей	Преобразует напряжение шины постоянного тока в необходимые аккумуляторной батарее 200–1000 В и управляет процессами заряда/разряда	Преобразователь DC/DC, двунаправленный IGBT/SiC	Подобно адаптеру напряжения, который автоматически согласует напряжение батареи	Плавное регулирование выходного напряжения 200–1000 В; точность управления током ±1%

Почему схема разделена на три силовых каскада?

Разделение ① и ②: каскад выпрямителя отвечает за преобразование «переменный ток → постоянный ток», в то время как каскад гальванической развязки предназначен для «преобразования напряжения + безопасной гальванической развязки». Их разделение позволяет поддерживать разумный уровень нагрузки по напряжению на компонентах каждого каскада и продлевает срок службы.
Высокочастотный трансформатор в ②: размер трансформатора обратно пропорционален частоте — чем выше частота, тем меньше магнитопровод и обмотки при той же мощности. Трансформатор на 20 кГц примерно на 90% меньше, чем трансформатор промышленной частоты 50 Гц — это физическая основа уменьшения габаритов SST на 30%.
Балансировка SOC в ③: каскад интерфейса аккумуляторной батареи может точно контролировать ток заряда/разряда каждого кластера, и EMS использует это для «меньшего заряда кластеров с высоким SOC и большего заряда кластеров с низким SOC» — активная балансировка.

4.1 Технические характеристики основного оборудования

Оборудование	Модель / Технические характеристики	Основные технические параметры
Модуль SST	Тип прямого подключения 10 кВ	1,0 / 1,25 / 1,5 МВт на модуль; КПД 98,5%; гармонические искажения <1%
Аккумуляторный кластер	LFP-280 Ач	Номинальное напряжение 3,2 В; срок службы >8000 циклов; DOD 95%
BMS	Трехуровневая архитектура	Ток активной балансировки ±2 А; точность измерения ±1 мВ
EMS	Диспетчеризация на уровне станции	Время отклика <100 мс; поддержка протоколов IEC 60870-5-104 / DNP3.0 / Modbus
Система пожаротушения	Перфторгексанон	Обнаружение и подавление на уровне кластера <10 с; предотвращение повторного возгорания

4.2 Производительность на уровне системы

Параметр	Номинальные характеристики	Испытания / Валидация
Номинальная мощность	1,2 МВт (с возможностью расширения до 5 МВт)	Станция GDS в Чунцине
Номинальная емкость	2,4 МВт·ч (с возможностью расширения)	Аналогично
Общий КПД	≥90% (сторона переменного тока)	Измерено Научно-исследовательским институтом электроэнергетики
Глубина балансировки SOC	99%	Измерено
Время отклика	<50 мс	Регулирование на полной мощности
Стандарт подключения к сети	GB/T 34120 / GB/T 36276	Прошло типовые испытания

5. Технические преимущества и физические принципы

5.1 Преимущество 1: Нулевые потери холостого хода

Физический принцип: при традиционном подходе повышающий трансформатор генерирует потери в сердечнике (потери на возбуждение) всякий раз, когда он подключен к сети, потребляя энергию 24 часа в сутки. При прямом подключении SST, когда аккумулятор не заряжается и не разряжается, модуль SST можно перевести в режим ожидания с нулевым энергопотреблением, полностью отключив силовые электронные устройства и снизив потери холостого хода до нуля.
Количественная выгода: для электростанции мощностью 100 МВт / 200 МВт это позволяет сэкономить примерно 18 000 МВт·ч потерь холостого хода в год (исходя из потерь в сердечнике трансформатора на уровне 1,5%).

5.2 Преимущество 2: Активная балансировка SOC

Физический принцип: различия в SOC между кластерами аккумуляторов возникают из-за различий во внутреннем сопротивлении и температуре. Традиционная пассивная балансировка просто рассеивает избыточную энергию. Подход SST использует двунаправленную передачу мощности на уровне модуля: EMS вычисляет SOC каждого кластера и активно передает энергию из кластеров с высоким SOC в кластеры с низким SOC.
Количественная выгода: полезная энергия +6%, а также увеличение срока службы аккумуляторов (избегание перезаряда/переразряда).

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

5.3 Преимущество 3: Резервирование модулей N+X

Физический принцип: модули SST работают в режиме горячего резервирования N+X. При выходе из строя любого модуля EMS обнаруживает это и плавно обходит неисправный модуль, в то время как оставшиеся модули автоматически распределяют мощность между собой.
Количественная выгода: потери при отказе в одной точке <0,1% (по сравнению со 100% остановкой электростанции в каскаде CHB).

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

6. Экономическое сравнение с традиционным подходом

6.1 Сравнение TCO за 25-летний жизненный цикл (базовый расчет 100 МВт / 200 МВт)

Статья затрат	Традиционный вариант (10 тыс. юаней)	Прямое подключение SST (10 тыс. юаней)	Экономия
Первоначальные инвестиции	3,200	2,900	−9.4%
Ежегодное техническое обслуживание трансформатора	45	8	−82%
Потери холостого хода (25 лет)	1,350	0	−100%
Замена батареи (преимущество балансировки SOC)	1,200	1,050	−12.5%
Совокупная стоимость владения за 25 лет	12,750	10,230	−19.8%

6.2 Анализ окупаемости

Дополнительные первоначальные инвестиции: ~1,5 млн юаней (доплата за оборудование SST)
Ежегодная экономия на эксплуатации: ~1,8 млн юаней
Срок окупаемости: ~10 месяцев

7. Ссылки на знаковые проекты

Проект	Конфигурация	Основные измеренные показатели	Значимость
GDS Чунцин	1,2 МВт / 2,4 МВт·ч	Общая эффективность 90%; глубина заряда/разряда при балансировке SOC 99%	Модель накопления энергии для центров обработки данных
Электросеть провинции Гуандун, объединение 6 районов	Гибкое межсетевое соединение нескольких районов	Эффективность оборудования 98,7% (+4%)	Модель гибкого соединения распределительных сетей
CNPC Куньшань	Сверхбыстрая гибридная зарядная станция на базе SST	Эффективность более 95%; сокращение занимаемой площади на 40%	Первая в мире установка

8. Технические стандарты и соответствие требованиям

Категория	Стандарт	Область применения
Подключение к сети	GB/T 34120	Технические правила для электрохимических систем накопления энергии, подключенных к сети
Безопасность аккумуляторных батарей	GB/T 36276	Литий-ионные аккумуляторы для накопления электрической энергии
Преобразователь	GB/T 34133	Технические требования к преобразователям для систем накопления энергии
Пожаротушение	GB/T 42288	Правила безопасности для электростанций с электрохимическими системами накопления энергии
Международный	IEC 62933	Серия стандартов для систем накопления электрической энергии

9. Поставки и услуги

9.1 Модель поставки

Этап	Продолжительность	Объем работ
Проектирование решения	2 недели	Обследование площадки, конфигурирование мощности, проектирование системы
Заводское предварительное изготовление	6 недель	Модульное производство, заводские испытания
Монтаж на объекте	4 недели	Такелажные работы, прокладка кабелей, пусконаладочные работы
Приемка подключения к сети	2 недели	Полные испытания подключения к сети, приемка в эксплуатацию
Итого	14 недель	На 30% короче традиционного

9.2 Услуги полного жизненного цикла

Гарантия: аккумулятор 10 лет / SST 5 лет / система 3 года
Техническое обслуживание и ремонт: удаленный мониторинг + ежегодная проверка + круглосуточное аварийное реагирование
Модернизация: удаленное OTA-обновление программного обеспечения EMS

Развернутое оборудование

Больше

Трансформатор с высоким КПД на твердотельных элементах RWSST 8,5 кВ до 40,5 кВ

Познакомьтесь с серией RWSST SST (840-3360 кВА). Оснащена избыточностью N+3冗余，98%的效率和预制设计适用于数据中心。降低总拥有成本并加快部署速度。查看规格。请允许我纠正上述翻译中的错误，并提供准确的俄语翻译： Познакомьтесь с серией RWSST SST (840-3360 кВА). Особенности: избыточность N+3, эффективность 98% и модульный дизайн для центров обработки данных. Снижение совокупной стоимости владения и ускорение развертывания. Просмотреть спецификации.

RW Energy
Модульные твердотельные трансформаторы для адаптивной интеграции энергии

Изучите твердотельные трансформаторы SST, используя блоки силовой электроники PEBB. Модульная топология для гибкой интеграции напряжения и мощности на различных объектах.

RW Energy
Модульный твердотельный трансформатор для дата-центров на основе технологии PEBB

Высокоэффективный модульный твердотельный трансформатор для центров обработки данных. На основе технологии PEBB, поддерживающий гибкое подключение переменного и постоянного тока с высокой плотностью мощности.

RW Energy

Оставьте свои контактные данные, чтобы получить полную техническую документацию и бесплатную консультацию от наших инженеров

Zhejiang Rockwell Energy Technology Co., Ltd. is an international enterprise specializing in the research, development and manufacturing of recloser controllers, power quality management, power monitoring systems and other high-end power equipment. In today's critical period of global energy transition and power system upgrading, the company has gathered a group of top talents in the fields of power engineering, automation control, software development, etc., who carry the enthusiasm and persistence for the power business, and are committed to overcoming the complex problems in the power system, and promoting the intelligent development of the power industry with innovative technology. Mission: To make global electricity smarter, more reliable and more efficient with innovative technology. Vision: To be the leader in global power intelligence.

Manager

RW Energy

Узнать больше