Ein europäischer Entwickler von Batteriespeichern im Versorgungsmaßstab stand vor einer kritischen Projektentscheidung: Ihr 50-MW-/200-MWh-Batteriespeichersystem musste eine bidirektionale Stromwandlungseffizienz von über 97 % erreichen und gleichzeitig die galvanische Trennung zwischen dem 1500V-DC-Batteriebus und dem Mittelspannungs-AC-Netz aufrechterhalten. Standard-Transformatoren von der Stange konnten die kombinierten Anforderungen an hohe Effizienz, bidirektionalen Betrieb und Netzkonformität nicht erfüllen. Der Projektzeitplan ließ keinen Raum für mehrere Designiterationen.
Die Custom Transformer Solutions von TPS Elektronik für Energiespeicheranwendungen wurden beauftragt, einen maßgeschneiderten Isolationstransformator zu entwerfen, zu fertigen und zu liefern, der es dem PCS ermöglicht, bidirektionale Stromwandlung mit minimalen Verlusten zu erreichen – vom Konzept bis zum netzgekoppelten Betrieb in weniger als 16 Wochen.
1. Die Herausforderung: Bidirektionale Stromwandlung im Versorgungsmaßstab
Batteriespeichersysteme (BESS) im Versorgungsmaßstab sind das Rückgrat der Netzmodernisierung und der Integration erneuerbarer Energien. Diese Systeme müssen Strom effizient in beide Richtungen wandeln: vom AC-Netz zum DC-Batteriespeicher beim Laden und vom DC-Batteriespeicher zum AC-Netz beim Entladen. Im Zentrum dieses bidirektionalen Stromflusses steht das Stromwandlungssystem (PCS), das auf einen Transformator für galvanische Trennung, Spannungswandlung und Netzschnittstelle angewiesen ist.
Der Kunde – ein europäischer Entwickler erneuerbarer Energien – plante eine 50-MW-/200-MWh-BESS-Installation zur Unterstützung der Netzstabilisierung und der Integration erneuerbarer Energien. Das Projekt erforderte:
- Bidirektionale Stromwandlung mit einem Wirkungsgrad von über 97 % in beide Richtungen
- Galvanische Trennung zwischen dem 1500V-DC-Batteriebus und dem Mittelspannungs-AC-Netz
- Netzkonformität mit europäischen Netzanschlussanforderungen
- Containerisierte Bauweise für schnelle Bereitstellung und Skalierbarkeit
- Wärmemanagement für den Dauerbetrieb im Außenbereich
Der bisherige Lieferant konnte keinen Transformator liefern, der die kombinierten Anforderungen an hohen Wirkungsgrad, bidirektionalen Betrieb und die räumlichen Beschränkungen der containerisierten Bauweise erfüllte. Standard-Transformatoren von der Stange erreichten entweder nicht den für die ROI-Ziele des Projekts erforderlichen Wirkungsgrad oder konnten die für den 1500V-DC-Bus benötigte galvanische Trennung nicht bieten.
TPS Elektronik wurde beauftragt, eine maßgeschneiderte Energiespeicher-Transformator-Lösung zu entwickeln, die es dem PCS ermöglicht, bidirektionale Stromwandlung mit minimalen Verlusten zu erreichen und gleichzeitig alle Netzkodex-Anforderungen zu erfüllen.
2. Die TPS-Lösung: Maßgeschneidertes Energiespeicher-Transformator-Design
Der Ansatz von TPS Elektronik kombinierte tiefgehende Expertise in der Leistungselektronik mit einem umfassenden Verständnis der Anforderungen an netzgekoppelte Energiespeicher. Die Lösung umfasste das maßgeschneiderte Transformator-Design, die Fertigung und die Integrationsunterstützung.
Maßgeschneidertes Design & Engineering:
- Maßgeschneidertes Transformator-Design optimiert für bidirektionale Stromwandlung
- Kern- und Wicklungsdesign für minimale Verluste bei 50-Hz-/60-Hz-Betrieb
- Isolationssystem ausgelegt für 1500V DC-Busspannung mit entsprechenden Kriech- und Luftstrecken
- Thermisches Design für Zwangsluftkühlung im containerisierten Einsatz
Fertigung & Qualität:
- Präzisionswicklung und Kernmontage gemäß IEC 60076
- Prozessbegleitende Qualitätskontrolle und Prüfung in jeder Fertigungsstufe
- Werksabnahmeprüfung (FAT) gemäß Kundenspezifikation
- Vollständiges Dokumentationspaket mit Prüfberichten und Materialzertifikaten
Integrationsunterstützung:
- Beratung zur mechanischen Integration für containerisierte Bauweise
- Koordinierung der elektrischen Schnittstellen mit PCS und Netzanschlussgeräten
- Inbetriebnahmesupport und Vor-Ort-Prüfungen
Der Service für Custom Transformer Solutions von TPS Elektronik baut auf einer breiten EMS-Basis auf. TPS ist ein EMS-Dienstleister für Leistungselektronik mit Spezialisierung auf industrielle Stromversorgungen, Energiespeicher für erneuerbare Energien und kundenspezifische OEM- und ODM-Fertigungsdienstleistungen. Diese vertikale Integration – von der Komponentenbeschaffung bis zur Endmontage – ermöglichte schnellere Prototypenfertigung und reduzierte die Komplexität der Lieferkette für den Kunden.
3. Technischer Ansatz: 1500V DC-Isolation und netzgekoppelte Konformität
Die technische Grundlage der TPS-Lösung war ein maßgeschneiderter Isolationstransformator, der die spezifischen Anforderungen von 1500V-DC-Batteriesystemen und netzgekoppeltem bidirektionalem Betrieb adressierte.
Isolationstransformator-Design:
- Spannungsfestigkeit: Maßgeschneiderte Wicklungskonfiguration für den 1500V-DC-Batteriebus und das Mittelspannungs-AC-Netz
- Leistungsfestigkeit: Auslegung entsprechend der 50-MW-PCS-Kapazität mit angemessenen Überlastreserven
- Isolationssystem: Verstärkte Isolierung mit Kriech- und Luftstrecken gemäß IEC 60076 und geltenden Netzkodex
- Kernmaterial: Kornorientiertes Elektroblech mit geringen Verlusten für hohen Wirkungsgrad
- Wicklungskonfiguration: Optimiert für bidirektionalen Stromfluss mit minimaler Impedanzvariation
Optimierung der bidirektionalen Stromwandlung:
Der bidirektionale Betrieb stellt besondere Herausforderungen an das Transformator-Design. Im Gegensatz zu unidirektionalen Transformatoren, bei denen der Stromfluss konstant in eine Richtung erfolgt, müssen bidirektionale Transformatoren den Wirkungsgrad und die Spannungsregelung unabhängig von der Stromflussrichtung aufrechterhalten. TPS begegnete diesem durch:
- Symmetrisches Wicklungsdesign das eine konstante Streuinduktivität in beiden Richtungen gewährleistet
- Verlustarme Kernmaterialien die Hysterese- und Wirbelstromverluste unter variierenden Lastbedingungen minimieren
- Optimierte Übersetzungsverhältnisse die sowohl Lade- als auch Entladespannungsanforderungen unterstützen
Netzkodex-Konformität:
- Reduzierung von Oberschwingungen durch optimiertes Transformator-Design
- Spannungsregelung zur Erfüllung der Netzanschlussanforderungen
- Schutzkonzeption mit PCS- und Netzschutzsystemen
Für netzgekoppelte BESS-Transformatoren dient der Isolationstransformator als kritische Schnittstelle zwischen dem Batteriesystem und dem Netz. Er bietet galvanische Trennung für Sicherheit, Spannungswandlung für Netzkompatibilität und Impedanz für Fehlerstrombegrenzung. Das Design von TPS stellte sicher, dass alle drei Funktionen für die spezifische Anwendung des Kunden optimiert waren.
Ihre maßgeschneiderten Transformatoranforderungen besprechen →
4. Ergebnisse: 98,2 % Wirkungsgrad und Netzkonformität
Der von TPS Elektronik gelieferte maßgeschneiderte Energiespeicher-Transformator übertraf die Leistungsziele des Kunden und erfüllte alle Netzkodex-Anforderungen.
Wichtigste Ergebnisse:
- Bidirektionaler Wirkungsgrad: Gemessener Wirkungsgrad von 98,2 % im Lade- und Entlademodus, übertraf das 97-%-Ziel
- Galvanische Trennung: Verstärkte Isolierung ausgelegt für 1500V DC-Busspannung mit Sicherheitsreserven
- Netzkodex-Konformität: Vollständige Konformität mit europäischen Netzanschlussanforderungen, einschließlich Oberschwingungsgrenzen und Spannungsregelung
- Containerisierte Bauweise: Transformator-Fußabdruck optimiert für die Installation in 20-Fuß-ISO-Containern
- Lieferzeit: Design, Fertigung und FAT in weniger als 16 Wochen abgeschlossen
Betriebliche Vorteile:
- Reduzierte Energieverluste: Der Wirkungsgrad von 98,2 % bedeutet etwa 1,8 % Verluste in der Stromwandlungskette und verbessert die Gesamt-ROI des Systems
- Vereinfachte Integration: Das maßgeschneiderte Design machte zusätzliche Schnittstellenkomponenten überflüssig und reduzierte die Installationszeit
- Zukünftige Skalierbarkeit: Das modulare Design unterstützt die zukünftige Erweiterung der BESS-Installation
Diese Fallstudie zeigt, wie TPS Elektronik Expertise in Leistungselektronik, maßgeschneidertem Transformator-Design und Energiespeicherarchitekturen kombiniert, um End-to-End-Lösungen für BESS-Projekte im Versorgungsmaßstab zu liefern. Durch die Integration des maßgeschneiderten Transformator-Designs in die übergeordneten EMS-Fähigkeiten stellte TPS nicht nur technische Exzellenz sicher, sondern auch regulatorische Konformität und langfristige Zuverlässigkeit.
5. TPS-Custom Transformer Solutions für Energiespeicher
Die Custom Transformer Solutions von TPS Elektronik für Energiespeicheranwendungen kombinieren technische Expertise, Fertigungskapazität und umfassende Qualitätssicherung in einem einzigen integrierten Service.
Engineering & Design:
- Maßgeschneidertes Transformator-Design für BESS-, PCS- und Anwendungen im Bereich erneuerbare Energien
- Optimierung der bidirektionalen Stromwandlung
- 1500V DC-Isolationssystem-Design gemäß IEC 60076
- Wärmemanagement und mechanische Integration
- Netzkodex-Konformität und Zertifizierungsunterstützung
Fertigungskapazitäten:
- Präzisionswicklung und Kernmontage
- Verstärkte Isolationssysteme für Hochspannungs-DC-Anwendungen
- Zwangsluft- und flüssigkeitsgekühlte Ausführungen
- Containerisierte und skidmontierte Konfigurationen
- Leistungsbereiche von kW bis MW
Qualität & Konformität:
- Konformität mit IEC 60076-Transformatornormen
- UL 9540 und NFPA 855 für BESS-Anwendungen
- Werksabnahmeprüfung (FAT) gemäß Kundenspezifikation
- Vollständige Dokumentation und Materialrückverfolgbarkeit
Integrationsunterstützung:
- Koordination der mechanischen und elektrischen Schnittstellen mit PCS
- Netzanschlussunterstützung und Schutzkonzeption
- Inbetriebnahme und Vor-Ort-Prüfungen
TPS unterstützt Energiespeicherprojekte jeder Größenordnung – von kleinen kommerziellen Systemen bis hin zu Installationen im Versorgungsmaßstab über 100 MW. Der Service für maßgeschneiderte Transformatorlösungen von TPS ist in die übergeordneten EMS-Fähigkeiten integriert – einschließlich Stromversorgungsdesign, Batterieprüfung und Energiespeicherarchitekturen – und reduziert so die Komplexität der Lieferkette für Systemintegratoren und Einkaufsteams.
