Orta Gerilim Doğrudan Bağlantılı Enerji Depolama Çözümü (E4Matrix)

Zhejiang Rockwell Energy Technology Co., Ltd.

Enerji depolama projelerinin yüksek enerji kaybı ve sınırlı geliriyle karşı karşıya kalındığında, geleneksel şebeke bağlantısı mimarileri verimli çalışma gereksinimlerini karşılamakta zorlanmaktadır. E4Matrix orta gerilim doğrudan bağlantılı enerji depolama çözümü, üstün verimlilik ve güvenilirlik için dönüştürme bağlantılarını basitleştirmek üzere SST katı hal transformatörü teknolojisini benimsemektedir.

1. Sektör Arka Planı ve Temel Sorunlar

1.1 Sektör Arka Planı

Çift karbon stratejisi ve yeni güç sisteminin inşası arka planında, depolama santralleri "destekleyici bir rol"den "şebeke zorunluluğu"na geçmektedir. Ulusal Enerji İdaresi'ne göre, 2025 yılında kümülatif kurulu yeni tip depolama kapasitesi 80 GW'ı aşmış olup, 2-4 saatlik orta süreli depolama ana büyüme itici gücü haline gelmiştir. Yine de, iki teknik darboğaz büyük ölçekli dağıtımı sınırlamaya devam etmektedir: enerji dönüşüm verimliliği ve tek nokta arıza riski.

1.2 Geleneksel Çözümlerin Dört Temel Sorunu

Sorun noktası	Geleneksel uygulama	Fiziksel kök neden
Yüksek yüksüz güç kaybı	PCS + yükseltici transformatör günün 24 saati enerjili çalışarak %1-%2 kayba neden olur	Şebeke frekanslı bir transformatörün nüve kaybı ortadan kaldırılamaz
Çoklu dönüştürme aşamaları	Batarya → PCS → transformatör → şebeke: 4 dönüştürme aşaması	Her aşamada %1-%3 kayıp birikir
SOC dengesizliği	Batarya kümeleri arasında şarj/deşarj derinliği farklılık gösterir	Pasif dengeleme batarya tutarlılığına bağlıdır
Tek nokta hatası	Kademeli H-köprüsü (CHB) tasarımında arızalanan tek bir modül santrali durdurur	Yedekli baypas kapasitesi bulunmamaktadır

1.3 Geleneksel ve SST Doğrudan Bağlantı — Fiziksel Fark

Geleneksel yaklaşım: dört güç dönüşümü, her aşamada vergilendirilir

Geleneksel bir depolama tesisinde, bataryanın DC gücü 10 kV şebekeye ulaşmak için dört ayrı cihazdan geçmelidir — her aşama bir "güç vergisi"dir:

Adım	Ekipman	Mevcut form	Bu aşamadaki kayıp	Basit bir ifadeyle
①	DC/DC dönüştürücü	Batarya DC → DC bara (yükseltme/alçaltma)	~%2–%3	Batarya gerilimini PCS'nin ihtiyaç duyduğu seviyeye "düzeltir"
②	PCS (evirici)	DC → AC 0,4 kV	~%2	Şebekeye girebilmesi için DC'yi AC'ye dönüştürür
③	Yükseltici transformatör	AC 0,4 kV → AC 10 kV	~%1–%2	Şebeke bağlantısı için alçak gerilimli AC'yi orta gerilime yükseltir
④	Şebeke bağlantı anahtarlama donanımı	AC 10 kV baraya	İhmal edilebilir	Son kapı

Temel fiziksel nokta — yüksüz kayıp: yükseltici transformatör (③) şebekeye bağlı olduğu sürece, depolama sistemi ne şarj oluyor ne de deşarj oluyor olsa bile, çekirdeği şebeke tarafından manyetize edilmeye devam eder ve çekirdek (yüksüz) kaybı üretir. 100 MVA'lık bir transformatörün yüksüz kaybı kabaca %1,5'tir ve yılda 8.760 saat boyunca sürekli olarak tüketilir — bu bir "boşta durma kaybı"dır.

Tahmini toplam kayıp: şarj sırasında ~%2 + %2 + %1,5, deşarj sırasında da aynı — yaklaşık %8–%11'lik gidiş-dönüş kaybı.

SST doğrudan bağlantı yaklaşımı: tek dönüşüm, tek adımda yapılır

Bataryanın DC'si tek bir SST cihazından geçerek doğrudan 10 kV şebekesine ulaşır:

Adım	Ekipman	Akım biçimi	Bu aşamadaki kayıp	Basit bir ifadeyle
①	SST katı hal transformatörü	Batarya DC → yüksek frekanslı AC → DC → AC 10 kV	~%1–%2	"Yükseltme + inversiyon + izolasyon" hepsi tek bir kutunun içinde; yüksek frekanslı bir transformatör şebeke frekanslı olanın yerini alır

Temel fiziksel nokta — sıfır bekleme kaybı: SST boştayken, dahili güç elektroniği cihazları tamamen kapatılabilir. Mıknatıslanacak bir çekirdek olmadığından, yüksüz kayıp = 0'dır.

Tahmini toplam kayıp: yaklaşık %4–%5 gidiş-dönüş kaybı — geleneksel yaklaşımın kabaca yarısı.

Farkın tek resimlik görünümü

Geleneksel (4 aşama):

Batarya → DC/DC → PCS → Yükseltici transformatör → 10 kV
[%2–%3] [%2] [%1,5] - transformatör sürekli boşa çalışır ve güç tüketir

SST doğrudan bağlantı (1 aşama):

Batarya → [SST katı hal transformatörü] → 10 kV
Dahili yüksek frekanslı transformatör: küçük, verimli
Bekleme modunda tamamen kapatılır: sıfır kayıp

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

2. Çözüm Genel Bakış ve Değer Önerisi

2.1 Çözüm Tanımı (BLUF)

SST orta gerilim doğrudan bağlantılı depolama sistemi (E4Matrix), geleneksel "PCS + yükseltici transformatör" veya kademeli H-köprüsü (CHB) mimarisinin yerine katı hal transformatörünü çekirdek olarak kullanır, böylece batarya kümeleri doğrudan 10 kV orta gerilim bara bağlanır. Şunları sağlar:

Gidiş-dönüş verimliliği +%2 (transformatör yüksüz kaybı ortadan kaldırıldı)
Kullanılabilir enerji +%6 (aktif SOC dengeleme)
Tek nokta arıza kaybı <%0,1 (modül seviyesinde yedek by-pass)
Yüksüz kayıp yok (SST kapatıldığında sıfır kayba düşer)

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

2.2 Temel Değer Önerisi

Değer boyutu	Ölçüt	Geleneksel olana kıyasla
Enerji verimliliği	Gidiş-dönüş verimliliği +%2	20 yıllık ömür boyunca yaklaşık %8 daha fazla döngü enerjisi geri kazanımı
Kullanılabilir kapasite	SOC dengeleme +%6	Aynı kapasiteden %6 daha fazla enerji salınımı
Güvenilirlik	Tek nokta arızası <%0,1	CHB kademeli arızasında %100 kayıp
Kapladığı alan	−%30	Yükseltici transformatör ve yüksek gerilim anahtarlama donanımı kaldırıldı
Yanıt hızı	Milisaniye seviyesi	Güç regülasyonunda mekanik parça yok

3. Sistem Mimarisi

3.1 Sistem Topolojisi (Katman Katman)

Şebekeye bağlantı katmanı: 10 kV AC orta gerilim bara (çift döngülü giriş) — şebekeye bağlantı anahtarı QF (görünür bir boşluk oluşturmak için bakım amacıyla açılır), ölçüm CT/PT (ağ geçidi ölçümü) ve koruma cihazları (aşırı akım / diferansiyel / düşük gerilim)
Dönüşüm katmanı: SST modül grubu (N+1 yedeklilik) — modül A (aktif), modül B (aktif), modül C (bekleme, arıza durumunda otomatik olarak devralır)
Depolama katmanı: batarya kümesi grubu — Küme 1 (LFP-280Ah), Küme 2 (LFP-280Ah), Küme 3 (LFP-280Ah)
Yönetim katmanı: EMS + BMS + yangın söndürme kontrolörü + tesis seviyesinde SCADA

Katman	Bileşim	Güç akışı	Sinyal akışı	Tasarım gerekçesi
① Şebeke bağlantısı	10 kV bara, QF şebeke bağlantı anahtarı, CT/PT ölçüm, koruma	Depolama ↔ şebeke, çift yönlü	Anahtar konumu → SCADA	Şebeke bağlantı anahtarı fiziksel güvenlik sınırıdır; bakım için açılması görünür bir boşluk yaratır
② Dönüşüm	N+1 SST modülleri	10 kV AC ↔ batarya tarafı DC	EMS → SST güç komutları; SST → EMS durumu	N+1 yedeklilik: herhangi bir birim arızalanırsa, geri kalanlar yükü otomatik olarak paylaşır — kapatma olmaz
③ Depolama	Batarya kümeleri (LFP-280Ah)	Batarya DC ↔ SST	BMS → EMS: SOC / sıcaklık / gerilim	Kümeler bağımsızdır; enerji SST aracılığıyla aralarında dengelenir
④ Yönetim	EMS + BMS + yangın söndürme + SCADA	Güç yok, yalnızca bilgi	Tüm tesis veri toplama	Beyin: ne zaman şarj edileceğine, ne kadar şarj edileceğine ve hangi kümenin daha fazla alacağına karar verir

3.2 Üç Katmanlı Mimari

Katman	Bileşen	İşlev	Yedeklilik
Arayüz katmanı	SST modülü (AC/DC + DC/DC)	Orta gerilim doğrudan bağlantı, çift yönlü dönüştürme, izolasyon	N+X sıcak yedek
Depolama katmanı	Batarya kümesi (LFP-280Ah hücreler)	Enerji depolama, SOC dengeleme	Küme seviyesinde sigorta koruması
Yönetim katmanı	BMS + EMS	Batarya yönetimi, enerji dağıtımı	Sıcak yedekte çift denetleyici

3.3 SST Modülü İç Yapısı (Üç Aşamalı Tek Modül)

Genel yapı

Güç akışı: 10 kV AC giriş → ① giriş doğrultucu kademesi → DC bara → ② yüksek frekanslı izolasyon kademesi → alçak gerilim DC → ③ batarya arayüz kademesi → batarya kümesi

Güç kademesi	İşlev	Temel bileşenler	Basit bir ifadeyle	Temel fiziksel parametreler
① Giriş doğrultucu kademesi	10 kV AC'yi bir DC bara dönüştürür	SiC MOSFET tam köprü, yumuşak yol alma direnci, EMI filtresi	AC'yi DC'ye "doğrultur"	DC bara ~12–15 kV; yumuşak yol alma, kapanış akımını sınırlar
② Yüksek frekanslı izolasyon kademesi	Yüksek frekanslı bir transformatör aracılığıyla gerilim yükseltme/alçaltma + elektriksel izolasyon	SiC tam köprü, yüksek frekanslı transformatör (20 kHz+), rezonans kapasitörü	Temel teknoloji: küçük bir yüksek frekanslı transformatör, büyük şebeke frekanslı transformatörün yerini alır — hacim 10 kattan fazla azaltılır	İzolasyon dayanımı 42 kV; 20 kHz+ frekans (50 Hz şebeke frekansına kıyasla); %98,5 verimlilikte ZVS yumuşak anahtarlama
③ Batarya arayüz kademesi	DC bara gerilimini bataryanın ihtiyaç duyduğu 200–1000 V'a dönüştürür ve şarj/deşarjı kontrol eder	DC/DC dönüştürücü, çift yönlü IGBT/SiC	Batarya gerilimini otomatik olarak eşleştiren bir gerilim adaptörü gibi	Kademesiz 200–1000 V çıkış; akım kontrol doğruluğu ±%1

Neden üç güç kademesine ayrılır?

① ve ②'nin ayrılması: doğrultucu kademesi "AC → DC" işlemini yönetirken, yalıtım kademesi "gerilim dönüşümü + güvenlik yalıtımı" işlevine adanmıştır. Bunların ayrılması, her kademede cihazlar üzerindeki gerilim stresini makul seviyede tutar ve ömrü uzatır.
②'deki yüksek frekanslı transformatör: transformatör boyutu frekans ile ters orantılıdır — frekans ne kadar yüksekse, aynı güçte çekirdek ve sargılar o kadar küçük olur. 20 kHz'lik bir transformatör, 50 Hz'lik bir şebeke frekanslı birime göre kabaca %90 daha küçüktür — bu, SST'nin kapladığı alanın %30 daha küçük olmasının fiziksel temelidir.
③'teki SOC dengeleme: batarya arayüzü kademesi her kümenin şarj/deşarj akımını hassas bir şekilde kontrol edebilir ve EMS bunu "yüksek SOC'li kümeleri daha az, düşük SOC'li kümeleri daha fazla şarj etmek" için kullanır — aktif dengeleme.

4.1 Temel Ekipman Özellikleri

Ekipman	Model / Spesifikasyon	Temel teknik parametreler
SST modülü	10 kV doğrudan bağlantı tipi	Modül başına 1,0 / 1,25 / 1,5 MW; %98,5 verimlilik; harmonikler <%1
Batarya kümesi	LFP-280Ah	Nominal 3,2 V; döngü ömrü >8.000; DOD %95
BMS	Üç katmanlı mimari	Aktif dengeleme akımı ±2 A; örnekleme doğruluğu ±1 mV
EMS	Santral seviyesinde sevk	Yanıt <100 ms; IEC 60870-5-104 / DNP3.0 / Modbus destekler
Yangın söndürme	Perfloroheksanon	Küme seviyesinde algılama + bastırma <10 sn; yeniden tutuşmayı önleme

4.2 Sistem Seviyesi Performansı

Parametre	Değer	Test / Doğrulama
Nominal güç	1,2 MW (5 MW'a kadar genişletilebilir)	GDS Chongqing istasyonu
Nominal kapasite	2,4 MWh (genişletilebilir)	Aynı
Genel verimlilik	≥%90 (AC tarafı)	Elektrik Enerjisi Araştırma Enstitüsü tarafından ölçülmüştür
SOC dengeleme derinliği	%99	Ölçülmüştür
Tepki süresi	<50 ms	Tam güç regülasyonu
Şebeke bağlantı standardı	GB/T 34120 / GB/T 36276	Tip testi yapılmıştır

5. Teknik Öne Çıkan Özellikler ve Fiziksel İlkeler

5.1 Öne Çıkan Özellik 1: Sıfır Yüksüz Kayıp

Fiziksel ilke: Geleneksel yaklaşımda, yükseltici transformatör şebekeye bağlı olduğu her an çekirdek (uyartım) kaybı üretir ve günde 24 saat güç tüketir. SST doğrudan bağlantı yaklaşımında, pil ne şarj olurken ne de deşarj olurken, SST modülü sıfır güç bekleme moduna ayarlanabilir, güç elektroniği cihazları tamamen kapatılır ve yüksüz kayıp sıfıra indirilir.
Miktarlandırılmış fayda: 100 MW / 200 MWh'lik bir santral için bu, yılda yaklaşık 18.000 MWh yüksüz kayıptan tasarruf sağlar (transformatör çekirdek kaybının %1,5'ine dayanarak).

5.2 Öne Çıkan Özellik 2: Aktif SOC Dengeleme

Fiziksel ilke: Pil kümeleri arasındaki SOC farkları, iç direnç ve sıcaklıktaki farklılıklardan kaynaklanır. Geleneksel pasif dengeleme sadece fazla enerjiyi dağıtır. SST yaklaşımı, modül düzeyinde çift yönlü güç yeteneğinden yararlanır: EMS her kümenin SOC'sunu hesaplar ve enerjiyi aktif olarak yüksek SOC'lu kümelerden düşük SOC'lu olanlara aktarır.
Miktarlandırılmış fayda: Kullanılabilir enerji +%6 ve daha uzun pil ömrü (aşırı şarj/aşırı deşarj önlenir).

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

5.3 Öne Çıkan Özellik 3: N+X Modül Yedekliliği

Fiziksel ilke: SST modülleri N+X sıcak yedekleme modunda çalışır. Herhangi bir modül arızalandığında, EMS bunu algılar ve kalan modüller gücü otomatik olarak paylaşırken arızalı modülü sorunsuz bir şekilde bypass eder.
Miktarlandırılmış fayda: Tek nokta arıza kaybı <%0,1 (bir CHB kaskadında %100 santral kapatılmasına kıyasla).

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

6. Geleneksel Yaklaşım ile Ekonomik Karşılaştırma

6.1 25 Yıllık Yaşam Döngüsü TCO Karşılaştırması (100 MW / 200 MWh baz değeri)

Maliyet kalemi	Geleneksel (10.000 RMB)	SST doğrudan bağlantı (10.000 RMB)	Tasarruf
İlk yatırım	3.200	2.900	−%9,4
Transformatör yıllık bakımı	45	8	−%82
Yüksüz kayıp (25 yıl)	1.350	0	−%100
Batarya değişimi (SOC dengeleme faydası)	1.200	1.050	−%12,5
25 yıllık TCO	12.750	10.230	−%19,8

6.2 Geri Ödeme Analizi

Ek ilk yatırım: ~1,5 milyon RMB (SST ekipman primi)
Yıllık işletme tasarrufu: ~1,8 milyon RMB
Geri ödeme süresi: ~10 ay

7. Öncü Proje Referansları

Proje	Yapılandırma	Temel Ölçüm Verileri	Önemi
GDS Chongqing	1,2 MW / 2,4 MWh	%90 genel verimlilik; %99 SOC dengeleme şarj/deşarj derinliği	Veri merkezi depolama modeli
Guangdong Güç Şebekesi, 6 bölge arası bağlantı	Çoklu bölge esnek bağlantısı	%98,7 ekipman verimliliği (+%4)	Dağıtım şebekesi esnek bağlantı modeli
CNPC Kunshan	SST ultra hızlı hibrit şarj istasyonu	%95+ verimlilik; -%40 alan kaplaması	Dünyada ilk kurulum

8. Teknik Standartlar ve Uyumluluk

Kategori	Standart	Kapsam
Şebeke bağlantısı	GB/T 34120	Şebekeye bağlı elektrokimyasal enerji depolama sistemleri için teknik düzenlemeler
Batarya güvenliği	GB/T 36276	Elektrik enerjisi depolama için lityum-iyon bataryalar
Konvertör	GB/T 34133	Enerji depolama konvertörleri için teknik özellikler
Yangınla mücadele	GB/T 42288	Elektrokimyasal enerji depolama santralleri için güvenlik düzenlemeleri
Uluslararası	IEC 62933	Elektrik enerjisi depolama sistemleri için standartlar serisi

9. Teslimat ve Hizmetler

9.1 Teslimat Modeli

Aşama	Süre	Kapsam
Çözüm tasarımı	2 hafta	Saha etüdü, kapasite yapılandırması, sistem tasarımı
Fabrika ön imalatı	6 hafta	Modüler üretim, fabrika testleri
Yerinde kurulum	4 hafta	Kaldırma, kablolama, devreye alma
Şebeke bağlantısı kabulü	2 hafta	Tam şebeke bağlantısı testleri, şebeke kabulü
Toplam	14 hafta	Geleneksel olandan %30 daha kısa

9.2 Tam Yaşam Döngüsü Hizmetleri

Garanti: batarya 10 yıl / SST 5 yıl / sistem 3 yıl
İşletme ve Bakım: uzaktan izleme + yıllık denetim + 24 saat acil durum müdahalesi
Yükseltmeler: EMS yazılımının OTA uzaktan yükseltmesi