Máy biến áp tăng áp BESS: Cách chọn công suất (0,4/0,69 kV → 33 kV), Vì sao sóng hài PCS và chế độ làm việc chu kỳ quyết định thông số kỹ thuật, và Những thay đổi đối với lưu trữ tạo lưới

Câu trả lời trước tiên: một nhà máy lưu trữ pin tăng điện áp theo một hoặc hai cấp — chọn cỡ máy biến áp đơn vị PCS theo công suất biểu kiến của bộ biến đổi cộng thêm biên dự phòng cho sóng hài và phụ tải tự dùng, và máy biến áp lưới theo công suất đầu ra trùng thời của nhà máy và nhiệm vụ công suất phản kháng theo quy chuẩn lưới điện

Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (BESS) chuyển đổi nguồn DC từ pin thành AC thông qua một hệ thống chuyển đổi công suất (PCS) ở điện áp thấp — thông thường 0,4 kV, 0,69 kV hoặc 0,8 kV — và một máy biến áp tăng áp nâng điện áp đó lên điện áp gom của nhà máy là 13,8 kV, 20 kV, 33 kV hoặc 35 kV. Ở quy mô tiện ích, một máy biến áp thứ hai, lớn hơn, nâng điện áp gom lên điểm đấu nối (POI) ở 110 kV, 132 kV hoặc 220 kV. Chọn cỡ máy biến áp đơn vị (PCS) theo công suất biểu kiến định mức của bộ biến đổi tính bằng kVA — không phải MW hay MWh của pin — cộng thêm biên dự phòng cho phụ tải tự dùng, tổn thất do gia nhiệt sóng hài và quá tải ngắn hạn, sau đó làm tròn lên cấp định mức tiêu chuẩn. Chọn cỡ máy biến áp lưới theo tổng công suất đầu ra của nhà máy đã hiệu chỉnh theo hệ số trùng thời, với dải đầu phân áp và tổng trở thỏa mãn quy chuẩn đấu nối lưới điện. Bốn điểm khiến máy biến áp BESS khác biệt so với một máy biến áp phân phối thông thường: nó mang công suất hai chiều (sạc và xả), sóng hài PWM làm tăng tổn thất trong cuộn dây, chế độ làm việc có chu kỳ nên tổn thất diễn ra mỗi ngày, và nó thường cần một bộ đổi đầu phân áp có tải để hỗ trợ điện áp trên lưới yếu. Chỉ định đúng bốn điểm này thì máy biến áp chạy mát suốt tuổi thọ 20 năm của tài sản; lắp một máy biến áp phân phối thiếu công suất thì cuộn dây sẽ quá nhiệt trong vài năm.

Những điểm chính cần ghi nhớ

• Chọn cỡ theo kVA, không phải MW. Bắt đầu từ công suất biểu kiến định mức của PCS và cộng thêm 10–25% cho phụ tải tự dùng (quản lý nhiệt), dòng điện hiệu dụng sóng hài và quá tải ngắn hạn; một container 2,5 MW / 5 MWh thường đi kèm với một máy biến áp đơn vị 3,15 MVA 0,69/33 kV.
• Sóng hài quyết định mức giảm định mức do nhiệt. Việc đóng cắt PWM làm dòng điện không hình sin và nhân lên tổn thất dòng xoáy trong cuộn dây; hãy chỉ định cấp K-factor hoặc một mức giảm định mức theo IEEE C57.110 có tài liệu chứng minh, cùng với một màn chắn tĩnh điện.
• Chế độ làm việc có chu kỳ và hai chiều. Các chu kỳ sạc/xả tải máy biến áp theo cả hai hướng, nên tổn thất — và cấp tổn thất — ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất vòng.
• Quy chuẩn lưới điện chính là một thông số kỹ thuật của máy biến áp. Khả năng chịu đựng điện áp và tần số, volt-var và (đối với PCS tạo lưới) khả năng công suất phản kháng quyết định dải đầu phân áp, tổng trở và khả năng chịu ngắn mạch.
• Quy chuẩn lắp đặt và phòng cháy quyết định loại máy. NFPA 855 và UL 9540A đẩy các lắp đặt trong nhà về phía máy biến áp khô hoặc chứa đầy ester; các bệ đặt ngoài trời thường dùng loại ngâm dầu.

Vì sao máy biến áp BESS không phải là máy biến áp tăng áp PV hay máy biến áp phân phối

Một máy biến áp tăng áp điện mặt trời và một máy biến áp tăng áp pin trông giống hệt nhau trên sơ đồ một tuyến — cả hai đều nâng điện áp đầu ra của bộ biến đổi hạ áp lên điện áp gom trung áp — nhưng chúng được chỉ định khác nhau. Bộ nghịch lưu PV đẩy công suất theo một hướng, ở hệ số công suất gần bằng đơn vị, theo một đường cong hình chuông hằng ngày đạt đỉnh vào giữa trưa và dừng vào ban đêm. PCS của BESS là một bộ biến đổi bốn góc phần tư: nó nhập công suất để sạc và xuất công suất để xả, nó có thể tạo ra hoặc hấp thụ công suất phản kháng để hỗ trợ điện áp, và nó có thể chuyển từ xuất toàn phần sang nhập toàn phần trong vòng vài giây. Tính hai chiều và tính linh hoạt đó thay đổi chế độ làm việc của máy biến áp, yêu cầu về đầu phân áp và hiệu quả kinh tế tổn thất của nó.

Ba khác biệt nữa cũng quan trọng:

• Tổn thất chạy theo cả hai hướng. Tổn thất tải của máy biến áp PV chạy khi mặt trời còn chiếu sáng; tổn thất tải của máy biến áp BESS chạy trong mỗi lần sạc và mỗi lần xả — một đến ba chu kỳ đầy đủ mỗi ngày trong chế độ kinh doanh chênh lệch giá hai chu kỳ.
• Dấu vân tay sóng hài khác nhau. Cả hai đều dùng PWM, nhưng BESS có thêm một tầng DC/DC phía pin và thường chạy ở tải một phần trong thời gian dài, nơi độ méo dòng điện tính theo phần trăm của thành phần cơ bản cao hơn so với ở công suất định mức.
• Đặc tính quá tải khác nhau. Lưu trữ ngày càng được yêu cầu cung cấp công suất định mức trong 1–4 giờ và tăng cường ngắn hạn (thông thường 110–125% trong vài giây đến một phút) để đáp ứng tần số, nên thiết kế nhiệt của máy biến áp phải bao phủ nhiều hơn một tải danh định ổn định.

Nếu bạn đang chọn cỡ cho một đơn vị điện mặt trời hoặc điện gió, hãy xem hướng dẫn máy biến áp tăng áp điện mặt trời PV chuyên dụng và hướng dẫn máy biến áp tăng áp trang trại điện gió; phép tính có liên quan nhưng các giả định thì khác. Đối với một tải phân phối thông thường, hãy bắt đầu từ hướng dẫn chọn máy biến áp.

Kiến trúc điện áp: cách một nhà máy pin tăng áp từ DC lên lưới điện trong một hoặc hai cấp

Vị trí của máy biến áp trong chuỗi công suất quyết định tỷ số, công suất định mức và loại của nó. Bốn cách bố trí bao phủ gần như mọi nhà máy pin quy mô lưới điện.

Điện áp gom tập trung quanh 33 kV (châu Âu và phần lớn châu Á), 34,5 kV (Bắc Mỹ), 35 kV (Trung Quốc) và 20 kV hoặc 13,8 kV cho các hệ thống nhỏ hơn. Điện áp POI do đơn vị truyền tải hoặc phân phối địa phương quyết định. Một điểm dễ bị bỏ sót: vì BESS vừa sạc vừa xả, máy biến áp phải được chỉ định cho dòng công suất theo cả hai hướng, và thiết kế bảo vệ, bộ đổi đầu phân áp và làm mát không được giả định rằng máy biến áp chỉ luôn xuất công suất.

Cách chọn cỡ máy biến áp tăng áp BESS: phương pháp bốn bước

Bước 1 — Bắt đầu từ công suất biểu kiến định mức của PCS (kVA), không phải MW hay MWh của pin

Năng lượng của pin (MWh) quyết định nhà máy có thể chạy trong bao lâu, không phải máy biến áp phải lớn cỡ nào. Con số ràng buộc là công suất biểu kiến định mức của PCS tại các đầu cực AC của nó. Hầu hết PCS quy mô tiện ích được định mức ở hệ số công suất bằng đơn vị, nên công suất kVA của chúng bằng công suất kW, nhưng hãy luôn xác nhận với bảng dữ liệu: một PCS định mức "1.250 kVA tại 0,99 pf" cung cấp khoảng 1.237 kW, và chính con số kVA mới dùng để chọn cỡ máy biến áp.

Cộng tất cả PCS trong khối lại. Hai đơn vị 1.250 kW trong một container cho 2.500 kVA; bốn đơn vị 2.000 kW trong một khối 20 feet cho 8.000 kVA. Đây là công suất biểu kiến cơ sở của bạn.

Bước 2 — Cộng thêm biên dự phòng cho phụ tải tự dùng, dòng điện hiệu dụng sóng hài và quá tải ngắn hạn

Một container BESS không chỉ có các bộ nghịch lưu. Bơm làm mát bằng chất lỏng, HVAC, quạt, điều khiển và các thiết bị phụ trợ tiêu thụ một phụ tải ký sinh thường nằm trên cùng thanh gom hạ áp — phổ biến là 2–5% công suất bộ biến đổi ở chế độ làm việc cao. Dòng điện sóng hài cộng thêm tổn thất gia nhiệt hiệu dụng lên trên thành phần cơ bản, và nhiều quy chuẩn lưới điện hiện nay yêu cầu khả năng quá tải ngắn hạn để hỗ trợ tần số. Một mức cho phép thực tế cho một đơn vị quy mô lưới điện là 10–25% trên mức cơ sở, sau đó làm tròn lên cấp định mức tiêu chuẩn kế tiếp.

Đừng nhầm lẫn khả năng quá tải ngắn hạn của máy biến áp với của pin. Máy biến áp có thể mang 120–150% trong hàng chục phút nếu nó khởi đầu nguội (xem hướng dẫn mang tải trong hệ số tải và quá tải), nhưng khả năng đó không miễn phí nếu nhiệt độ môi trường cao hoặc thiết bị đã ấm từ chu kỳ trước.

Bước 3 — Xác định nhiệm vụ sóng hài: K-factor và mức giảm định mức theo IEEE C57.110

Các bộ biến đổi PWM tiêu thụ dòng điện không hình sin. Tổn thất dòng xoáy và tổn thất tản bổ sung tăng theo bình phương bậc sóng hài, nên máy biến áp chạy nóng hơn so với mức mà cùng một tải hình sin hiệu dụng sẽ gợi ý. Hai cách xử lý được chấp nhận: chỉ định một máy biến áp định mức theo K-factor (K-4, K-9, K-13, K-20) được chọn cỡ cho phổ sóng hài, hoặc yêu cầu nhà sản xuất cung cấp một mức giảm định mức theo IEEE C57.110 có tài liệu chứng minh và áp dụng nó vào công suất định mức. Dù theo cách nào, một màn chắn tĩnh điện giữa cuộn dây sơ cấp và thứ cấp là tiêu chuẩn cho chế độ làm việc với bộ biến đổi, và cách bố trí trung tính/nối đất phía thứ cấp phải phù hợp với cấu trúc bộ lọc của bộ biến đổi — xem thiết kế hệ thống nối đất hạ áp.

Bước 4 — Chỉ định tổng trở, đầu phân áp, tổ đấu dây và làm mát cho lưới điện bạn có

Bước cuối cùng liên quan đến lưới điện hơn là pin. Tổng trở là một sự thỏa hiệp: đủ cao để hạn chế dòng ngắn mạch mà máy biến áp đóng góp vào thanh gom (xem tính toán dòng ngắn mạch), đủ thấp để giữ điều chỉnh điện áp và hiệu năng bộ lọc sóng hài trong giới hạn — một đơn vị tăng áp trung áp điển hình nằm ở 5,75–6,5%. Dải đầu phân áp phụ thuộc vào độ mạnh của lưới: một lưới mạnh có thể chỉ cần đầu phân áp không tải (DETC), trong khi một tuyến nông thôn yếu hoặc một dự án tạo lưới thường cần bộ đổi đầu phân áp có tải. Tổ đấu dây (xem Dyn11 so với Yyn0) thường là Dyn11 cho một đơn vị tăng áp vì cuộn dây tam giác tạo đường tuần hoàn cho sóng hài bậc ba và chặn thành phần thứ tự không tiếp cận lưới điện. Cuối cùng, khớp cấp làm mát với chế độ làm việc và nhiệt độ môi trường tại chỗ, sử dụng lựa chọn ONAN/ONAF và các quy tắc giảm định mức theo độ cao và nhiệt độ.

Ví dụ tính toán: một container 2,5 MW / 5 MWh cần bao nhiêu kVA?

Lấy một container BESS làm mát bằng chất lỏng 20 feet phổ biến: 5 MWh pin, 2,5 MW PCS, hai bộ biến đổi 1.250 kW ở 0,69 kV, hệ số công suất bằng đơn vị.

• Công suất biểu kiến cơ sở = 2 × 1.250 = 2.500 kVA.
• Biên dự phòng cho tự dùng + sóng hài + quá tải = 10% → 2.750 kVA. Nếu dự án cũng yêu cầu quá tải ngắn hạn 110% trên nền phụ tải tự dùng 5%: 2.500 × 1,10 × 1,05 = 2.888 kVA.
• Làm tròn lên cấp định mức tiêu chuẩn → 3,15 MVA (0,69 kV → 33 kV, Dyn11).

Ở cấp nhà máy, tám container như vậy cho 8 × 3,15 = 25,2 MVA công suất máy biến áp. Áp dụng một hệ số trùng thời — các đơn vị lưu trữ thường sạc và xả cùng nhau, nên mức tín dụng đa dạng nhỏ hơn so với một trang trại PV — khoảng 0,95, cho 23,9 MVA; chỉ định một máy biến áp lưới 25 MVA hoặc 31,5 MVA để nhà máy có thể xuất công suất toàn phần khi một đơn vị ngừng vận hành.

Đây là các giá trị điển hình từ thực tiễn kỹ thuật nhà máy; hãy xác nhận cỡ cuối cùng dựa trên bảng dữ liệu PCS, nhiệt độ môi trường tại chỗ và quy chuẩn lưới điện trước khi đặt hàng.

Sóng hài và K-factor: vì sao một bộ biến đổi PWM làm nóng máy biến áp

Một PCS dùng IGBT hoặc SiC đóng cắt ở vài kilohertz và tổng hợp nên một dạng gần hình sin, nhưng dòng điện nó tiêu thụ không thuần. Ở công suất định mức, tổng độ méo hài (THD) dòng điện của một PCS hiện đại thường dưới 3–5%, đáp ứng giới hạn sóng hài, nhưng ở tải 20–50% — một phần lớn số giờ vận hành của một đơn vị lưu trữ — độ méo tính theo phần trăm của thành phần cơ bản tăng lên, và các sóng hài bậc thấp (bậc 5, 7, 11, 13) chiếm ưu thế. Những sóng hài đó không mang năng lượng hữu ích, nhưng chúng vẫn làm nóng cuộn dây, và tổn thất dòng xoáy tăng gần đúng theo bình phương bậc sóng hài.

Ngành công nghiệp giải quyết vấn đề này bằng K-factor, được định nghĩa trong IEEE C57.110: một máy biến áp định mức K-9 có thể mang một phổ sóng hài có hệ số tổn thất sóng hài gấp chín lần thành phần cơ bản với cùng dòng điện hiệu dụng, mà không vượt quá độ tăng nhiệt định mức. Một cách viết tắt phổ biến là chỉ định K-13 cho chế độ lưu trữ PWM hiện đại, nhưng cách tiếp cận đúng là lấy phổ sóng hài của PCS và tính hệ số cần thiết, sau đó chọn K-4, K-9, K-13 hoặc K-20 — hoặc yêu cầu một mức giảm định mức C57.110 bằng văn bản làm giảm công suất kVA khả dụng. Bỏ qua bước này là nguyên nhân phổ biến nhất gây hỏng máy biến áp BESS sớm.

Chế độ làm việc có chu kỳ và hiệu suất vòng: vì sao các cấp tổn thất thấp tự hoàn vốn trong lưu trữ

Lưu trữ pin được đánh giá theo hiệu suất vòng (RTE) — năng lượng xuất ra chia cho năng lượng đưa vào, thông thường 85–90% đối với hệ thống lithium-ion. Máy biến áp là một trong những thành phần cuối cùng trong chuỗi đó, và mỗi điểm tổn thất nó thêm vào đều chảy thẳng vào RTE. Một máy biến áp có tổn thất không tải 0,3% và tổn thất tải 1,1% lãng phí cả năng lượng không tải lẫn năng lượng tác dụng: ở một nhà máy chu kỳ một đến hai lần sạc và xả đầy đủ mỗi ngày, tổn thất tải chạy gần như mọi giờ vận hành, trong khi tổn thất không tải chạy 8.760 giờ một năm.

Đó là lý do vì sao một cấp tổn thất thấp (S13, S20) hoặc một đơn vị lõi vô định hình dễ biện minh hơn cho lưu trữ so với một chế độ phân phối tương đương: tổn thất không phải là một lần; nó lặp lại mỗi chu kỳ trong 20 năm. Hãy so sánh chi phí vốn hóa tổn thất của một đơn vị tiêu chuẩn và một đơn vị tổn thất thấp với chi phí vốn tăng thêm — phương pháp tổng chi phí sở hữu của chúng tôi cho thấy cách làm — và với cam kết hiệu suất mà chủ sở hữu lưu trữ phải đáp ứng. Để so sánh công nghệ lõi, xem hướng dẫn cấp tổn thất S11/S13/S20 và hướng dẫn lõi vô định hình.

Vì sao máy biến áp lưu trữ thường cần bộ đổi đầu phân áp có tải

Một máy biến áp phân phối thường được giao kèm một bộ đổi đầu phân áp không tải được đặt một lần khi đưa vào vận hành. Một BESS thường không thể chấp nhận điều đó, vì nó được kỳ vọng giữ điểm đấu nối chung trong một dải điện áp chặt chẽ trong khi lưới điện xung quanh dao động. Trên một tuyến nông thôn yếu hoặc dài, điện áp có thể thay đổi vài phần trăm giữa tải nhẹ và tải nặng, và bộ biến đổi chỉ có một cửa sổ công suất phản kháng hạn chế để hiệu chỉnh.

Một bộ đổi đầu phân áp có tải (OLTC) với dải như ±8 × 1,25% cho phép máy biến áp bám theo sự trôi điện áp chậm trong khi bộ biến đổi xử lý đáp ứng động nhanh. Đối với các dự án tạo lưới — các bộ nghịch lưu phải tổng hợp điện áp và tần số thay vì bám theo lưới — tổng trở và dải đầu phân áp của máy biến áp cũng định hình lượng dòng điện phản kháng mà nhà máy có thể cung cấp. Sự đánh đổi là chi phí: một OLTC làm tăng khoảng 10–20% giá máy biến áp và thêm một hạng mục bảo trì. Hãy đọc bộ đổi đầu phân áp có tải so với không tải trước khi quyết định, và xác nhận yêu cầu với nghiên cứu đấu nối thay vì phỏng đoán.

Làm mát và an toàn phòng cháy: ngâm dầu so với khô so với chứa đầy ester

Vị trí của máy biến áp quyết định loại của nó. Bên trong hoặc cạnh một container pin, tải cháy và các quy tắc tách ly chiếm ưu thế; trên một bệ ngoài trời, chi phí và hiệu quả làm mát thường thắng.

Các tiêu chuẩn dẫn dắt lựa chọn: NFPA 855 quy định việc tách ly và b