Projeto de transformadores elevadores para sistemas fotovoltaicos (PV) e armazenamento de energia com baterias: gerenciamento do fluxo de potência bidirecional, estresse térmico e proteção

A crescente integração de geração fotovoltaica (FV) e sistemas de armazenamento de energia por baterias (BESS) está transformando a forma como usinas de energia renovável se conectam às redes elétricas de distribuição.

Diferentemente das instalações solares convencionais, que exportam principalmente a eletricidade gerada, instalações híbridas FV-BESS podem operar em múltiplos modos: exportação de energia solar, carregamento de baterias a partir da rede ou da geração solar, descarga de energia armazenada e prestação de serviços de suporte à rede.

Essas condições operacionais variáveis introduzem novos requisitos de engenharia para a subestação elevadora fotovoltaica e seus transformadores associados.

Um transformador com fluxo bidirecional de potência deve acomodar perfis de carga variáveis, manter um desempenho térmico aceitável, suportar distúrbios elétricos especificados e operar dentro de um sistema coordenado de proteção.

Para empreiteiros solares EPC, integradores de BESS, engenheiros de concessionárias e projetistas de sistemas de energia industriais, a seleção do transformador é, portanto, uma parte crítica da confiabilidade do projeto e da gestão dos custos ao longo do ciclo de vida.

Este guia analisa os desafios elétricos, térmicos e de proteção decorrentes da integração de PV e BESS e explica como especificar um transformador elevador adequado para projetos modernos de energia renovável híbrida.

1. Compreensão dos Sistemas de Energia Híbrida PV-BESS

1.1 Como o Sistema Solar-Acumulador Modifica a Distribuição de Energia

Num parque fotovoltaico convencional conectado à rede, os inversores solares convertem a eletricidade CC proveniente dos módulos fotovoltaicos em eletricidade CA.

Um transformador elevador aumenta a tensão de saída do inversor até o nível de distribuição em média tensão exigido, tal como 10 kV, 20 kV ou 35 kV.

Normalmente, a energia flui dos equipamentos de geração solar em direção à rede de coleta ou à rede elétrica da concessionária, embora cargas auxiliares e algumas condições operacionais possam resultar em um fluxo reverso limitado.

Quando se introduz armazenamento de energia por baterias, a arquitetura elétrica torna-se mais complexa.

Uma instalação híbrida PV-BESS pode operar em diversos modos:

Modo de Operação	Fluxo de energia	Consideração do transformador
Geração solar	Inversor FV → Transformador → Rede	Carga contínua de geração
Carregamento da bateria a partir da rede	Rede → Transformador → PCS do BESS	Fluxo reverso de potência ativa
Descarga da bateria	BESS PCS → Transformador → Rede	Carga de exportação e desempenho térmico
Exportação de energia solar e BESS	PV + BESS → Transformador → Rede	Potência máxima combinada
Suporte à rede	Intercâmbio bidirecional de potência ativa/reativa	Regulação de tensão e coordenação de proteções
Em espera	Transferência mínima de potência ativa	Perdas em vazio e demanda auxiliar

Em sistemas acoplados em CA, os inversores fotovoltaicos e os sistemas de conversão de potência de bateria (PCS) podem conectar-se a uma rede comum de coleta em CA.

Um transformador dedicado para BESS, um transformador elevador compartilhado ou configurações múltiplas de transformadores podem ser utilizados, dependendo da capacidade do sistema e da arquitetura elétrica.

1.2 Por que o fluxo bidirecional de potência é importante

Um transformador convencional geralmente é capaz de transferir potência CA em ambas as direções, desde que seus limites de tensão, corrente, isolamento, térmicos e de proteção sejam respeitados.

Portanto, o fluxo bidirecional de potência não exige, por si só, um projeto magnético completamente distinto para o transformador .

O desafio de engenharia surge das condições operacionais associadas a sistemas híbridos de energia solar e armazenamento.

Estes podem incluir:

• Mudanças repetidas entre carregamento e descarregamento.

• Carga variável ao longo do dia.

• Correntes harmônicas geradas pelo inversor.

• Troca de potência reativa.

• Injeção potencial de corrente contínua.

• Contribuições diferentes de corrente de falha em diversos modos de operação.

• Variações de tensão ao longo da rede de coleta.

• Períodos prolongados de operação em espera energizada.

Um transformador elevador fotovoltaico deve ser avaliado com base nessas condições reais de operação, e não apenas com base no sentido do fluxo de potência.

2. Tensão térmica e desafios de carga em Transformadores elevadores de BESS

2.1 Ciclagem térmica durante carregamento e descarregamento

O desempenho térmico é uma consideração fundamental ao selecionar um Transformador elevador de BESS .

A temperatura dos enrolamentos e do líquido isolante do transformador depende principalmente das perdas elétricas, das condições de refrigeração, da temperatura ambiente e do histórico prévio de carga.

Uma usina de armazenamento de baterias pode experimentar diversos ciclos de carga e descarga dentro de um único dia.

Por exemplo, um sistema de baterias pode carregar durante períodos de alta geração solar, descarregar durante o pico vespertino e fornecer serviços adicionais à rede durante períodos intermediários.

Embora a inversão do fluxo de potência por si só não cause aquecimento adicional na mesma corrente RMS, mudanças frequentes na magnitude da corrente podem gerar ciclos repetidos de aquecimento e resfriamento.

Esses ciclos podem influenciar:

• A temperatura do ponto quente no enrolamento.

• A taxa de envelhecimento do isolamento.

• A expansão e contração térmicas.

• A carga mecânica nas estruturas de suporte dos enrolamentos.

• O estado a longo prazo do óleo e do isolamento.

A variação resultante de temperatura depende da duração da carga e das constantes de tempo térmicas do transformador.

Consequentemente, o dimensionamento do transformador deve levar em conta todo o perfil operacional, e não apenas a potência nominal do PCS.

2.2 Avaliação da Temperatura do Ponto Quente do Transformador

A vida útil do isolamento do transformador é fortemente influenciada pela temperatura do ponto quente do enrolamento.

Para transformadores imersos em óleo, a temperatura aproximada do ponto quente pode ser representada como:

θH = θA + ΔθTO + ΔθH

Onde:

• θH: A temperatura do ponto quente no enrolamento.

• θA: Temperatura ambiente.

• δθTO: Elevação da temperatura do óleo superior em relação à ambiente.

• δθH: Gradiente de ponto quente em espiral acima da temperatura do óleo superior.

A elevação real da temperatura varia conforme a carga, o projeto de refrigeração, a geometria do transformador e o histórico operacional.

Os engenheiros devem avaliar a carga utilizando as orientações aplicáveis, como a IEEE C57.91 ou a IEC 60076-7, conforme a especificação do projeto.

Para instalações de BESS, um perfil de carga representativo em série temporal pode ajudar a identificar riscos térmicos que não aparecem num simples cálculo de capacidade nominal.

2.3 Injeção de Corrente CC e Saturação do Núcleo

Conversores de eletrônica de potência podem introduzir pequenos componentes CC na sua saída CA sob certas condições.

Uma injeção excessiva de corrente CC pode criar uma polarização magnética no núcleo de um transformador, podendo resultar em:

• Aumento da corrente de magnetização.

• Saturação do núcleo.

• Perdas dispersas adicionais.

• Aquecimento localizado.

• Aumento do ruído acústico.

• Vibração anormal.

No entanto, inversores conectados à rede bem projetados e equipamentos PCS incorporam funções de controle e proteção destinadas a limitar a injeção de corrente contínua.

O deslocamento em corrente contínua deve ser avaliado como um requisito de qualidade de energia e compatibilidade de equipamentos, não sendo assumido como uma consequência inevitável da operação bidirecional.

Os fabricantes de transformadores devem solicitar ao fabricante do equipamento PCS os limites específicos de injeção de corrente contínua ao avaliar a compatibilidade.

3. Distorção Harmônica e Transformador Perdas em Sistemas Híbridos FV-SEB

3.1 Por Que os Conversores Eletrônicos de Potência São Relevantes

Inversores fotovoltaicos e equipamentos PCS para baterias utilizam comutação por semicondutores e algoritmos de controle para converter energia elétrica.

Esses processos de conversão podem introduzir componentes de corrente harmônica.

Dependendo da topologia do conversor, da frequência de comutação, da estratégia de controle e da filtragem, os componentes harmônicos relevantes podem incluir as harmônicas de 5.ª, 7.ª, 11.ª e 13.ª ordem, bem como componentes de alta frequência.

O espectro harmônico real deve ser obtido junto ao fabricante do equipamento ou por meio de um estudo adequado de qualidade de energia.

As correntes harmônicas podem aumentar:

• As perdas por correntes parasitas nos enrolamentos.

• As perdas dispersas em componentes estruturais.

• O aquecimento adicional dos condutores.

• A carga térmica total no transformador.

• Tensões elétricas potenciais relacionadas à ressonância no sistema mais amplo.

Como as perdas por correntes parasitas relacionadas a harmônicos dependem da frequência, avaliar apenas a corrente RMS na frequência fundamental pode subestimar certas contribuições para as perdas.

3.2 Os transformadores de BESS exigem classificações de fator K?

O fator K é comumente usado para descrever a capacidade de um transformador de suportar características específicas de cargas não lineares, particularmente em certas aplicações de transformadores a seco.

Contudo, selecionar arbitrariamente uma classificação K-4, K-9 ou K-13 não constitui um requisito universal para transformadores imersos em líquido destinados à elevação de tensão em sistemas solares e de armazenamento de energia.

Para transformadores de média tensão imersos em líquido, uma abordagem de engenharia mais adequada consiste em avaliar o espectro harmônico esperado e as perdas adicionais resultantes.

A norma IEEE C57.110 fornece métodos pertinentes à avaliação da capacidade do transformador sob condições de corrente de carga não senoidal, dentro do escopo por ela definido.

Etapas recomendadas de engenharia incluem:

1. Obter os dados de corrente harmônica dos inversores fotovoltaicos e dos conversores de potência de BESS.

2. Avaliar as condições operacionais esperadas tanto nos modos de carregamento quanto de descarregamento.

3. Calcular as perdas adicionais nos enrolamentos e perdas dispersas, quando aplicável.

4. Verificar a elevação da temperatura nos enrolamentos e a carga sobre o isolamento.

5. Determinar se é necessário um enrolamento especial, refrigeração adicional ou redução da potência nominal.

Essa abordagem específica para a aplicação ajuda a evitar o superdimensionamento desnecessário do transformador, ao mesmo tempo que protege o desempenho a longo prazo.

3.3 Redução da tensão térmica relacionada a harmônicos

Dependendo das características do inversor e dos requisitos do projeto, as opções de engenharia do transformador podem incluir:

• Projeto otimizado do condutor de enrolamento.

• Transposição adequada do condutor ou arranjo de enrolamento.

• Margem térmica adicional.

• Capacidade aprimorada de refrigeração.

• Avaliação de perdas sob carga harmônica especificada.

• Filtragem coordenada no nível do inversor ou do sistema.

A filtragem harmônica é, em geral, uma decisão de engenharia em nível de sistema, envolvendo o fornecedor do PCS, o empreiteiro EPC e o projetista da interconexão com a rede.

O projeto do transformador isoladamente não consegue resolver todos os problemas harmônicos numa usina híbrida.

4. Regulação de tensão e seleção do comutador de derivações para fluxo de potência bidirecional

4.1 Elevação e queda de tensão em sistemas híbridos

A tensão nos terminais do transformador depende do sentido e da magnitude da potência ativa e reativa, da impedância do transformador e das características da rede conectada.

Durante a geração fotovoltaica ou a descarga do BESS, a exportação de potência pode contribuir para a elevação da tensão em determinados pontos de conexão.

Durante o carregamento da rede, a potência importada pode contribuir para a queda de tensão.

No entanto, a resposta real da tensão também depende do controle da potência reativa, da impedância do sistema, da regulação de tensão a montante e das condições operacionais da rede.

Em instalações híbridas de PV-BESS, a regulação de tensão deve, portanto, ser coordenada entre o inversor, o transformador e o sistema de conexão à rede.

4.2 Comutadores de derivação fora de circuito versus comutadores de derivação sob carga

Dois arranjos comuns de comutação de derivações são utilizados em transformadores de potência.

Comutador de Derivação Desenergizado (DETC)

Um comutador de derivação desenergizado permite o ajuste da relação de espiras do transformador apenas quando este está seguramente desenergizado, conforme as instruções do fabricante.

Vantagens incluem:

• Construção relativamente simples.

• Custo inicial mais baixo.

• Menor complexidade mecânica.

• Adequação em situações onde as variações de tensão operacional podem ser gerenciadas por outros equipamentos.

Comutador de Taps sob Carga (OLTC)

Um OLTC permite ajustes de derivação enquanto o transformador permanece energizado e em carga, sujeito às suas limitações de projeto e operação.

Sistemas OLTC podem ser adequados quando as condições de tensão da rede exigem ajuste ativo da relação do transformador.

No entanto, um OLTC não é automaticamente necessário apenas porque o BESS carrega e descarrega com frequência.

Recursos modernos baseados em inversores podem fornecer controle de tensão e potência reativa dentro de suas capacidades e dos requisitos do código de rede.

Operações frequentes de mudança de tap também podem introduzir requisitos adicionais de manutenção.

Recomendação de Engenharia: Avalie as capacidades Volt-VAR do inversor, a regulação da rede de média tensão, os requisitos de interconexão à rede e a frequência esperada de operações de mudança de tap antes de especificar equipamentos OLTC.

5. Seleção da Arquitetura Adequada para Subestações Elevadoras Fotovoltaicas

5.1 Subestações Elevadoras Integradas PV-BESS

Asubestação elevadora fotovoltaica combinam os equipamentos elétricos necessários para conectar equipamentos de energia renovável de baixa tensão a uma rede de coleta de média tensão.

Dependendo do seu projeto, uma subestação integrada pode incluir:

• Transformador elevador de distribuição.

• Quadro de média tensão ou unidade de anel (RMU).

• Quadro de entrada de baixa tensão.

• Dispositivos de proteção e controle.

• Equipamento de medição.

• Proteção contra sobretensões.

• Sistemas elétricos auxiliares.

• Interfaces de monitoramento e comunicação.

Uma solução integrada pode reduzir o número de componentes instalados separadamente no local e simplificar o layout dos equipamentos.

Benefícios potenciais do projeto incluem redução da área ocupada no local, conexões integradas na fábrica, melhor coordenação dos equipamentos e planejamento simplificado da instalação.

No entanto, o cronograma final de instalação depende das obras civis, da aprovação pelas concessionárias, dos ensaios no local e do programa geral de construção.

5.2 Subestação Integrada versus Arranjo Modular de Equipamentos

Fator de Seleção	Subestação Elevadora Integrada	Arranjo Modular de Equipamentos
Disposição do equipamento	Pacote Integrado de Fábrica	Unidades Separadas de Transformador e Quadro de Comando
Área de Ocupação no Local	Potencialmente Compacto	Depende do Espaçamento dos Equipamentos
Integração com fábrica	Grau Mais Elevado de Pré-montagem	Pode Ser Necessária Mais Coordenação no Local
Acesso para manutenção	Deve Ser Incorporado no Projeto da Carcaça	Pode proporcionar maior separação entre os equipamentos
Expansão Futura	Depende do projeto do pacote	Normalmente oferece maior flexibilidade de layout
Aplicação Típica	Blocos solares/BESS e locais compactos	Subestações grandes ou complexas

Para usinas híbridas em escala de concessionária, a arquitetura dos equipamentos deve ser selecionada com base na facilidade de manutenção, nos requisitos de expansão, nas distâncias elétricas de segurança, na segurança operacional e no custo total instalado.

5.3 Projeto de transformador com duplo enrolamento de baixa tensão

Algumas usinas PV-BESS utilizam transformadores com enrolamentos separados de baixa tensão para o inversor fotovoltaico e para o sistema de conversão de energia da bateria (PCS).

Essa configuração pode fornecer interfaces elétricas independentes para os dois sistemas conversores, ao mesmo tempo em que compartilha uma conexão comum de média tensão.

Vantagens potenciais incluem:

• Arranjos independentes de conexão de baixa tensão.

• Maior flexibilidade na seleção da tensão de enrolamento.

• Redução da necessidade de determinados equipamentos externos de combinação CA.

• Projeto de impedância e aterramento específico para a aplicação.

No entanto, enrolamentos separados não proporcionam isolamento elétrico completo entre os sistemas conectados em todas as condições operacionais.

Correntes de falha, acoplamento entre enrolamentos, sobretensões e coordenação da proteção devem ser avaliados utilizando o circuito equivalente do transformador com múltiplos enrolamentos.

Um projeto com duplo secundário deve, portanto, ser especificado com base nas potências nominais exigidas, tensões dos enrolamentos, grupo vetorial, impedâncias e características de curto-circuito.

6. Transformador Proteção para Operação Bidirecional PV-BESS

6.1 Proteção contra Sobre-corrente Direcional

A proteção tradicional em redes de distribuição pode basear-se na suposição de que a corrente de falha flui principalmente da alimentação da concessionária em direção às cargas conectadas.

Sistemas híbridos PV-BESS podem introduzir diferentes caminhos de contribuição de corrente de falha, dependendo do modo de operação, dos controles do inversor e da configuração da rede.

Funções de sobrecorrente direcional, como as normas ANSI 67 e 67N, podem ser adequadas quando for necessário distinguir a direção da falha.

Outras funções de proteção podem incluir:

Função ANSI	Função de proteção	Consideração de Aplicação
50/51	Sobrecorrente instantânea/temporizada	Proteção contra falhas de fase
50N/51N	Sobrecorrente de terra	Detecção de Falha à Terra
67/67N	Sobrecorrente direcional	Discriminação de falhas onde existem múltiplas fontes
87T	Diferencial de transformador	Detecção de falhas internas no transformador
49	Proteção Térmica	Monitoramento de sobrecarga térmica
27/59	Subtensão/sobretensão	Condições anormais de tensão
81U/81O	Subfrequência/sobrefrequência	Perturbações na frequência da rede

A seleção da proteção depende do tamanho do transformador, da configuração de aterramento, dos requisitos do código da rede e da arquitetura da instalação.

A proteção direcional não deve ser especificada unicamente porque a potência ativa pode inverter o sentido; sua necessidade deve ser estabelecida mediante um estudo de coordenação de proteções.

6.2 Proteção contra Surtos e Coordenação de Isolamento

Instalações fotovoltaicas e de sistemas de armazenamento de baterias (BESS) podem sofrer surtos induzidos por raios, transitórios de comutação e distúrbios de tensão.

Os sistemas de isolamento dos transformadores devem ser coordenados com o ambiente elétrico esperado.

Parâmetros importantes incluem:

• Tensão mais elevada para equipamentos.

• Nível de suporte a impulsos de raio.

• Suporte dielétrico à frequência de potência.

• Especificações dos para-raios.

• Disposições de aterramento.

• Características de isolamento dos cabos.

• Condições de transitórios de comutação.

Os para-raios de óxido metálico podem ser incorporados conforme os requisitos de coordenação do isolamento do sistema.

A sua seleção deve considerar o sistema de aterramento, a tensão máxima contínua de operação, as condições de sobretensão temporária e o ambiente de surtos esperado.

6.3 Monitoramento do transformador e integração com SCADA

Grandes usinas fotovoltaicas com sistemas de armazenamento de energia por baterias (PV-BESS) frequentemente incorporam sistemas centralizados de controle supervisório e aquisição de dados (SCADA).

Consoante o projeto do transformador e os requisitos do projeto, o monitoramento pode incluir:

• Temperatura do óleo na parte superior.

• Indicação ou estimativa da temperatura do enrolamento.

• Nível do líquido.

• Estado do dispositivo de alívio de pressão.

• Proteção contra acumulação de gás, quando aplicável.

• Condição do sistema de refrigeração.

• Contatos de alarme e desligamento.

Relés Buchholz estão comumente associados a transformadores imersos em líquido do tipo conservador adequados, e não a todos os transformadores distribuidores selados.

Os dados de monitoramento podem ser conectados a sistemas SCADA ou de gerenciamento de energia no nível da planta por meio de uma interface de controle apropriada.

Essa integração pode apoiar o monitoramento de condições, o planejamento de manutenção e a visibilidade operacional.

7. Normas IEEE e IEC para Transformadores Elevadores PV-BESS

Projetos internacionais de energia renovável devem atender às normas aplicáveis de transformadores e aos requisitos locais de interconexão à rede.

As normas a seguir fornecem referências técnicas relevantes.

Padrão	Área de aplicação	Relevância para Projetos PV-BESS
IEEE C57.159	Guia para transformadores em sistemas de geração fotovoltaica distribuída	Orientação para aplicação de transformadores de inversores fotovoltaicos
IEEE C57.12.00	Requisitos gerais para transformadores imersos em líquido	Construção e desempenho de transformadores
IEEE C57.110	Capacidade de transformadores sob correntes de carga não senoidais	Avaliação de perdas harmônicas e de carga
IEEE C57.91	Carga de transformadores imersos em óleo mineral	Desempenho térmico e envelhecimento do isolamento
IEC 60076-1	Requisitos gerais para transformadores de potência	Classificações e especificações gerais
IEC 60076-2	Elevação de temperatura em transformadores imersos em líquido	Ensaios térmicos e limites
IEC 60076-5	Capacidade de suportar curto-circuito	Requisitos de suporte a curto-circuito
IEC 60076-7	Guia de carga para transformadores imersos em óleo mineral	Avaliação do ciclo de carga
IEC 60076-16	Transformadores para aplicações em turbinas eólicas	Aplicável principalmente a transformadores elevadores para turbinas eólicas
IEEE 1547	Interconexão de recursos distribuídos de energia	Requisitos de interface com a rede para recursos distribuídos de energia (DER) abrangidos por seu escopo

A norma IEC/IEEE 60076-16 destina-se especificamente a aplicações de transformadores elevadores para turbinas eólicas. Não deve ser apresentada como uma norma específica para transformadores PV-BESS.

De forma semelhante, a norma IEEE C57.159 fornece orientações para aplicações de transformadores fotovoltaicos distribuídos, mas não substitui as normas gerais de projeto, ensaio e interligação à rede para transformadores.

Para instalações híbridas, os engenheiros devem especificar os requisitos aplicáveis separadamente e confirmar se disposições específicas são relevantes para a configuração do transformador selecionado.

8. Seleção de fluidos isolantes para transformadores solares e BESS

A seleção do líquido isolante influencia o desempenho dielétrico, a transferência de calor, a proteção contra incêndio e as considerações ambientais.

8.1 Transformadores com óleo mineral

O óleo mineral continua sendo um meio isolante e refrigerante comum em transformadores imersos em líquido.

Suas vantagens incluem práticas de fabricação consolidadas, ampla disponibilidade, experiência operacional comprovada e custo inicial geralmente competitivo.

8.2 Fluidos Isolantes Éster Naturais

Fluidos éster naturais são cada vez mais considerados para instalações onde a segurança contra incêndio e o desempenho ambiental são importantes.

Em comparação com o óleo isolante mineral convencional, fluidos éster naturais adequados geralmente oferecem:

• Pontos de fulgor mais elevados.

• Características favoráveis de biodegradabilidade.

• Propriedades distintas de gerenciamento de umidade.

• Vantagens potenciais em aplicações específicas sensíveis ao fogo.

Alguns fluidos éster naturais comerciais têm pontos de fulgor acima de 300 °C.

No entanto, o fluido selecionado deve ser compatível com o sistema de isolamento do transformador, as vedações, a configuração de refrigeração e os procedimentos de manutenção.

A seleção do fluido também deve considerar os regulamentos aplicáveis de proteção contra incêndio, os requisitos de contenção e as especificações ambientais do projeto.

Nem o fluido éster natural nem o óleo mineral devem ser selecionados com base em uma única característica de desempenho.

9. Dimensionamento prático do transformador para um projeto híbrido FV-SEB

Considere uma instalação híbrida ilustrativa com os seguintes parâmetros de projeto:

• Capacidade do inversor FV: 3 MW.

• Capacidade de descarga do PCS do SEB: 2 MW.

• Capacidade de carga do PCS do SEB: 2 MW.

• Sistema de coleta em média tensão: 35 kV.

• Arranjo comum de coleta CA.

Se o sistema de controle permitir que a FV e o SEB exportem simultaneamente nas suas respectivas potências ativas máximas, a saída combinada pode atingir:

3 MW + 2 MW = 5 MW

Com um fator de potência assumido de 0,95, a potência aparente aproximada necessária é:

S = P / FP

S = 5.000 kW / 0,95 = 5.263 kVA

Uma avaliação preliminar de engenharia poderia, portanto, considerar classificações de transformador superiores a essa potência aparente calculada, sujeitas ao regime operacional exigido, às condições de refrigeração e às normas aplicáveis.

Contudo, a seleção real deve examinar fatores adicionais.

Por exemplo, se o controlador da planta limitar a exportação total a 4 MW, o requisito correspondente de carga do transformador poderá ser diferente.

De forma semelhante, o carregamento da bateria poderá criar cenários adicionais de fluxo de potência, dependendo se a energia for fornecida pela geração solar, pela rede elétrica ou por ambas.

A classificação final do transformador deve ser estabelecida com base em uma matriz operacional completa que inclua:

1. Exportação simultânea máxima de PV e BESS.

2. Importação máxima permitida da rede.

3. Limites operacionais de potência reativa.

4. Carga harmônica.

5. Cargas auxiliares do transformador.

6. Temperatura ambiente.

7. Expansão futura de capacidade.

8. Condições de sobrecarga permitidas.

Para transformadores com múltiplos enrolamentos, cada enrolamento também deve ser avaliado individualmente quanto à sua classificação e limites de corrente.

O princípio fundamental é dimensionar o transformador para as condições operacionais elétricas e térmicas máximas plausíveis, e não simplesmente para a soma das potências nominais dos equipamentos instalados.

10. Soluções personalizadas de transformadores elevadores PV-BESS da Jiangsu Dingxin Electric

A Jiangsu Dingxin Electric é fabricante de transformadores de distribuição, transformadores de potência e subestações pré-fabricadas, atendendo mercados internacionais de infraestrutura elétrica.

Com mais de 30 anos de experiência na indústria de transformadores, a Dingxin fornece suporte de engenharia voltado à fabricação e à aplicação em projetos de energia renovável, distribuição industrial e serviços públicos.

10.1 Transformadores Personalizados para Projetos Solares e de Armazenamento de Baterias

As aplicações fotovoltaicas (PV) e de sistemas de armazenamento de baterias (BESS) frequentemente exigem configurações elétricas diferentes das dos projetos convencionais de distribuição comercial.

A Dingxin trabalha com os clientes para analisar os requisitos específicos do projeto envolvendo:

• Classificações de transformadores em média tensão.

• Arranjos de conexão dos inversores fotovoltaicos (PV) e dos conversores de potência de sistemas de armazenamento de baterias (BESS PCS).

• Combinações de tensões primária e secundária.

• Enrolamentos de baixa tensão únicos ou múltiplos.

• Grupos vetoriais dos transformadores.

• Requisitos de impedância.

• Seleção do líquido isolante.

• Arranjos de refrigeração.

• Configurações de invólucros para instalação externa.

• Acessórios de proteção e monitoramento.

Para projetos envolvendo sistemas de coleta de classe 35 kV, podem ser avaliados projetos personalizados de subestações integradas, conforme tensão exigida, capacidade, arranjo de equipamentos de manobra e condições de instalação.

10.2 Suporte de engenharia para fluxo de potência bidirecional

A integração confiável de PV-BESS exige coordenação entre o projeto do transformador e a engenharia elétrica no nível do sistema.

Durante a revisão das especificações técnicas, considerações importantes incluem:

Avaliação térmica: Avaliar ciclos de carga, temperaturas ambiente e elevação da temperatura dos enrolamentos.

Avaliação harmônica: Revisar os dados harmônicos do inversor e do PCS para determinar se são necessários cálculos adicionais de perdas ou disposições de projeto.

Configuração Elétrica: Ajustar a tensão de enrolamento, a impedância, o grupo vetorial e os arranjos de aterramento ao sistema híbrido de energia.

Compatibilidade da proteção: Coordenar os requisitos de proteção do transformador com os sistemas de religamento e os arranjos de comutação do sistema.

Ensaios e documentação: Estabelecer os requisitos aplicáveis da IEEE/IEC, os critérios de aceitação em fábrica e a documentação técnica antes da fabricação.

A Dingxin pode apoiar discussões sobre especificações personalizadas de transformadores para empreiteiros solares EPC, desenvolvedores de energia renovável e parceiros de integração de BESS.

As classificações reais dos produtos, o status de conformidade, o escopo dos ensaios e as configurações disponíveis devem ser confirmados com base na documentação técnica específica do projeto.

11. Perguntas frequentes sobre transformadores elevadores PV-BESS

O que é um transformador com fluxo de potência bidirecional?

Um transformador com fluxo de potência bidirecional é um transformador aplicado em um sistema elétrico no qual a potência ativa pode fluir em ambas as direções.

Transformadores CA convencionais geralmente conseguem transferir potência em ambas as direções, mas aplicações híbridas de energia renovável podem exigir uma avaliação adicional dos ciclos de carga, harmônicos, regulação de tensão e proteção.

Como um transformador elevador para BESS difere de um transformador solar convencional?

Um transformador elevador para BESS pode operar nas condições de carregamento, descarregamento, espera e suporte de potência reativa.

Em comparação com uma aplicação convencional de geração solar, seu perfil operacional pode envolver ciclos de carga diferentes e requisitos distintos de qualidade de potência.

O projeto do transformador deve corresponder às características reais do PCS e às condições operacionais do sistema.

É possível utilizar um único transformador para conectar tanto inversores FV quanto equipamentos PCS de BESS?

Sim. Um arranjo de transformador compartilhado pode ser viável, desde que a arquitetura elétrica, as classificações dos enrolamentos, os níveis de tensão, a coordenação da proteção e a capacidade térmica sejam adequadamente projetados.

As opções incluem um barramento de baixa tensão comum ou um projeto de transformador com múltiplos enrolamentos.

O fluxo bidirecional de potência causa saturação do transformador?

Não por si só.

A saturação do núcleo está associada a condições magnéticas de operação, tais como relação tensão-frequência excessiva, polarização CC ou certas condições transitórias.

A direção normal do fluxo de potência ativa CA, por si só, não causa intrinsecamente a saturação do núcleo do transformador.

Transformadores com fator K são obrigatórios em instalações de BESS?

Não. A carga harmônica deve ser avaliada com base no espectro real de corrente do PCS e na metodologia de projeto de transformador aplicável.

Uma designação específica de fator K não deve ser considerada obrigatória para todo transformador de BESS imerso em líquido.

Um comutador sob carga (OLTC) é necessário em uma subestação elevadora PV-BESS?

Não necessariamente.

Os requisitos do comutador sob carga (OLTC) dependem das condições de tensão da rede, das capacidades reativas do inversor, da estratégia de regulação da rede e das especificações do projeto.

Muitas instalações utilizam arranjos de comutação sem carga combinados com regulação adequada de tensão no nível do inversor e da rede.

Quais normas se aplicam aos transformadores PV-BESS?

Referências relevantes podem incluir as normas IEEE C57.159, IEEE C57.12.00, IEEE C57.110, IEC 60076-1, IEC 60076-2, IEC 60076-5 e os guias de carregamento aplicáveis.

Os requisitos de interconexão à rede devem ser considerados separadamente.

Como um fabricante de transformadores pode apoiar projetos híbridos PV-BESS?

Um fabricante pode apoiar a seleção específica do projeto do transformador, a configuração dos enrolamentos, a avaliação de perdas, o projeto do isolamento, a avaliação do desempenho térmico, a seleção de acessórios e a documentação dos ensaios de fábrica.

A especificação final do equipamento deve ser coordenada entre o empreiteiro EPC, o fornecedor do sistema de conversão de potência (PCS), o engenheiro da rede e o fabricante do transformador.

12. Conclusão: Engenharia Confiável Infraestrutura de Energia PV-BESS

À medida que a geração solar e o armazenamento de energia em baterias se tornam cada vez mais integrados, a seleção de transformadores está evoluindo além da capacidade nominal convencional e do casamento de tensões.

Confiável subestação elevadora fotovoltaica deve suportar as características operacionais de sistemas híbridos de energias renováveis, mantendo simultaneamente desempenho térmico, dielétrico e elétrico adequado.

Considerações críticas de engenharia incluem:

• Fluxo bidirecional de potência ativa e reativa.

• Perfis variáveis de carregamento e descarregamento.

• Características de correntes harmônicas.

• Carga térmica no transformador e envelhecimento do isolamento.

• Regulação de tensão e seleção de taps.

• Corrente de curto-circuito proveniente de múltiplas fontes e coordenação de proteções.

• Normas IEEE/IEC aplicáveis.

• Requisitos de confiabilidade e manutenção a longo prazo.

Para projetos de grande escala de energia renovável, a coordenação antecipada entre fabricantes de transformadores, empreiteiros EPC, fornecedores de PCS e engenheiros da concessionária pode reduzir riscos de integração e melhorar a compatibilidade dos equipamentos.

Solicite um Transformador Elevador PV-BESS Personalizado

Está projetando um projeto híbrido de energia solar mais armazenamento ou atualizando uma subestação de energia renovável existente?

A Jiangsu Dingxin Electric fornece soluções personalizadas de transformadores e subestações integradas para geração fotovoltaica, armazenamento de energia por baterias e distribuição de energia em média tensão.

Nossa equipe pode analisar seus requisitos elétricos, incluindo capacidade do transformador, tensão do sistema, configuração dos enrolamentos, acessórios de proteção e normas de engenharia aplicáveis.

Entre em contato com a Dingxin Electric para solicitar uma revisão de especificações de transformador específica para o seu projeto ou uma RFQ técnica.

Site: https://www.dishinelectric.com/