Трансформатор для промышленного накопителя: когда он нужен, а когда можно подключиться к 0,4 кВ напрямую
Большинство промышленных накопителей до нескольких сотен киловатт подключают прямо к шинам 0,4 кВ предприятия: преобразователь PCS выдаёт 400 В, и отдельный трансформатор не нужен. Он появляется, когда система мегаваттная и выходит на 6–10 кВ, или когда нужна гальваническая развязка. Ниже — как решить этот вопрос, как подобрать мощность и что проверить в существующей трансформаторной подстанции.
Два типовых случая подключения
Первый случай — накопитель на стороне 0,4 кВ потребителя. Так подключается большинство систем для бизнеса: контейнерные и шкафные накопители на 100–500 кВт, например серии, описанные в обзоре Sunket ESS C&I. Преобразователь PCS выдаёт трёхфазное напряжение 400 В и присоединяется к шинам распределительного щита или к вводному устройству через свой автоматический выключатель. Своего силового трансформатора у такой системы нет: роль повышающего звена играет существующий трансформатор подстанции предприятия, но в обратную сторону — накопитель просто подключён к низкой стороне.
Второй случай — накопитель, подключённый на 6–10 кВ. Он характерен для мегаваттных систем: сотни кВт на одной ячейке уже не помещаются в 0,4 кВ из-за токов. При 1 МВт и 400 В линейный ток составляет около 1 450 А (1 000 000 / (1,73 × 400)), и кабели, автоматы и шины становятся громоздкими. Поэтому такие системы собирают из нескольких блоков по 400 В, соединяют на общей шине и поднимают до 6 или 10 кВ повышающим трансформатором. У такой точки подключения свой комплект: трансформатор, ячейка среднего напряжения, защита, учёт и, как правило, отдельное помещение или площадка.
Зачем нужен трансформатор, кроме изменения напряжения
Напряжение — только одна из причин. Ещё три обстоятельства стоит учитывать при выборе.
- Гальваническая развязка. Трансформатор разделяет цепи первичной и вторичной стороны. Это снижает риск переноса токов утечки и помех между сетью и системой и упрощает защиту от замыканий на землю на стороне накопителя. Некоторые изготовители преобразователей требуют развязки в определённых схемах, и это указано в документации.
- Система заземления. Тип сети — TN-S, TN-C-S, IT — влияет на допустимость подключения преобразователя без трансформатора. Требования к заземлению нейтрали и корпусов нужно сверять с документацией на PCS и с проектом. Общие принципы заземления в энергосистемах описаны в материале про заземление солнечной станции.
- Требования инвертора к сети. Многие преобразователи рассчитаны на определённые тип сети, диапазон напряжений и допустимые гармоники. Если параметры сети предприятия отличаются, трансформатор или иное согласование нужны. Что именно допускает ваш инвертор, указано в паспорте.
Таким образом, вопрос звучит не «есть ли трансформатор в комплекте», а «в какой точке сети присоединяется система и что говорит производитель о типе сети». Ответ записывают в техническом задании ещё до выбора оборудования.
Как выбрать мощность трансформатора: пример PCS 500 кВт
Рассмотрим систему с PCS на 500 кВт, подключённую через собственный трансформатор (например, на ячейку 6–10 кВ). Ход рассуждения такой.
- Полная мощность PCS. PCS паспортно указан в кВт и кВА. Если он выдаёт 500 кВт при коэффициенте мощности 1, то это 500 кВА. Если преобразователь работает и как компенсатор реактивной мощности (об этом — в разборе преобразователь как компенсатор), то по полной мощности он ограничен паспортным значением в кВА. Допустим, это 500 кВА.
- Запас. Трансформатор не должен работать на пределе. Нужен запас на перегрузку в пиках, на нагрев и на будущее расширение. Обычно закладывают превышение над полной мощностью PCS на десятки процентов. Для 500 кВА ближайший типовой номинал трансформатора выше — 630 кВА. Это запас 630 / 500 = 1,26, то есть 26 %.
- Работа в обоих направлениях. Накопитель то заряжается, то разряжается, и трансформатор нагружается в обоих режимах. Если параллельно через тот же трансформатор питается собственная нагрузка предприятия, её нужно складывать с мощностью заряда накопителя: в момент пика сумма не должна превышать номинал.
- Проверка по гармоникам и реактивной мощности. Если преобразователь создаёт гармоники, трансформатор нагревается сильнее, чем по чисто синусоидальному расчёту. Это учитывают при выборе или запрашивают у производителя требования к типу трансформатора.
Цену трансформатора и ячейки мы не называем: она зависит от исполнения, поставщика и условий монтажа. Выбор конкретного типа и класса потерь — задача проектировщика.
Потери холостого хода и КПД цикла
Трансформатор, подключённый к сети, потребляет энергию даже без нагрузки: это потери холостого хода, на перемагничивание сердечника. Они постоянны и не зависят от того, заряжается ли накопитель. Допустим, для примера, что у трансформатора на 630 кВА потери холостого хода составляют 0,8 кВт (реальное значение указано в паспорте и зависит от класса потерь). За год: 0,8 × 8 760 ≈ 7 000 кВт·ч.
Сравним с энергией, которую система пропускает через себя. Допустим, накопитель на 1 МВт·ч совершает 300 циклов в год, отдавая по 900 кВт·ч: 270 000 кВт·ч. Потери холостого хода составляют 7 000 / 270 000 ≈ 2,6 % от прокачиваемой энергии. Это порядок, который нужно учитывать вместе с потерями в PCS и в батарее: КПД цикла системы с трансформатором ниже КПД одного преобразователя. Если накопитель работает редко и в основном как резерв, потери холостого хода становятся заметной долей, и тогда трансформатор имеет смысл отключать на время простоя, если это допускает схема, либо выбирать трансформатор с низкими потерями холостого хода. Цифры 0,8 кВт и 300 циклов здесь условные, для примера.
Формула в общем виде: годовые потери холостого хода равны потерям в кВт, умноженным на число часов в году, когда трансформатор под напряжением. Сравнивайте их с годовой энергией цикла вашей системы.
Подключение к существующей ТП предприятия
Если накопитель присоединяют к 0,4 кВ, нужно проверить существующую подстанцию. Часто именно здесь выясняется, что ограничение не в накопителе, а в самой ТП.
- Мощность и загрузка трансформатора ТП. Достаточно ли запаса с учётом зарядной мощности накопителя в часы, когда нагрузка предприятия максимальна. Заряжать батарею лучше тогда, когда нагрузка минимальна.
- Место под ячейку. Свободная ячейка или панель на низкой стороне, куда можно подключить новый автомат, а также место под сам накопитель рядом с ТП.
- Токи и защита. Сечение шин и кабелей, номиналы автоматов, селективность защит с учётом того, что накопитель может давать ток в сеть.
- Требования владельца сети. Условия параллельной работы с сетью и допустимость отдачи в сеть; порядок согласования описывает владелец сети. Для дома этот вопрос отдельный и в рамках статьи не обсуждается.
Если проблема в ограничении по подключённой мощности, накопитель иногда избавляет от усиления ввода, как показано в разборе мало мощности по подключению. А если накопитель должен заменять второй ввод, категория надёжности накладывает дополнительные требования; об этом мы писали в материале про категорию надёжности.
Таблица: мощность системы, точка подключения, трансформатор, что проверить
| Мощность системы | Типичная точка подключения | Нужен ли отдельный трансформатор | Что проверить |
|---|---|---|---|
| До 125 кВт | Шины 0,4 кВ щита или ВРУ | Обычно нет | Сечение кабеля, автомат, тип сети по паспорту |
| 125–500 кВт | Низкая сторона ТП предприятия, 0,4 кВ | Обычно нет | Загрузка и мощность трансформатора ТП, место под ячейку |
| 500 кВт – 1 МВт | 0,4 кВ или 6–10 кВ | Зависит от токов и ТП | Сравнить токи при 400 В с возможностями ТП; рассмотреть свой трансформатор |
| От 1 МВт | 6–10 кВ | Да, повышающий трансформатор и ячейка | Своё РУ, защиты, учёт, согласование с владельцем сети |
| Любая, если нужна развязка | По требованию производителя PCS | Может потребоваться | Тип сети и заземление по документации |
Границы в таблице ориентировочные: реальный выбор определяет проект, паспорт PCS и условия владельца сети.
Не разделять вопрос на «трансформатор» и «накопитель»
Точку подключения, тип сети, мощность трансформатора и гармоники выбирают вместе с преобразователем, а не после него. Отдельный трансформатор без нужды лишь добавляет потери и место, а его отсутствие там, где он нужен, создаёт проблему при запуске.
Частые вопросы
Нужен ли трансформатор для накопителя 100 кВт?
Обычно нет: система присоединяется к 0,4 кВ через автомат. Исключения бывают, если производитель PCS требует гальванической развязки или тип сети не подходит.
Можно ли использовать трансформатор ТП предприятия?
Да, если он способен нести нагрузку с учётом накопителя в самые тяжёлые часы. Проверяют мощность, загрузку и климатические условия работы.
Влияет ли трансформатор на КПД системы?
Да: потери холостого хода постоянны, потери под нагрузкой растут с током. Для редко работающих систем доля холостого хода заметна.
Кто выбирает трансформатор?
Проектная организация по техническому заданию и данным производителя PCS, с согласованием условий с владельцем сети.
Короткий вывод
До нескольких сотен киловатт трансформатор, как правило, не нужен: накопитель присоединяют к 0,4 кВ, а определяющим становится существующая ТП. Для мегаваттных систем появляется повышающий трансформатор и своя ячейка на 6–10 кВ. Мощность подбирают с запасом относительно PCS, как 630 кВА для 500 кВА в примере, а потери холостого хода сопоставляют с годовой энергией цикла. Обзор решений — на странице промышленных накопителей.