Технология SST: Пълносценарий анализ в генерирането разпространението разпределението и потреблението на електроенергия

I. Фон на изследването

Потребности за преобразуване на електроенергийната система

Промените в енергийната структура поставят по-високи изисквания към системите за електроенергия. Традиционните системи за електроенергия се трансформират към новопоколенски системи за електроенергия, като основните различия между тях са следните:

Ⅱ.Основни приложения на твърдотелните трансформатори (SST)

В контекста на новите електроенергийни системи, активната подкрепа, интеграцията и регулацията на мрежата, гъвкавата интерконекция и взаимодействието между предлагане и търсене са станали ключови изисквания за пространствено-времево комплементарно енергийно управление. SST проникват във всички етапи - производство, предаване, разпределение и потребление, с конкретни приложения както следва:

• Производство: директно свързани преобразуватели за работа в мрежата, устройства за формиране на мрежа, средноволтови DC трансформатори за интеграция на вятър, слънце и накопителни устройства.

• Предаване: средноволтови и високоволтови DC разпределителни трансформатори, гъвкави DC интерконекционни устройства.

• Разпределение: гъвкави единици за интерконекция на средни и ниски напрежения, гъвкави разпределителни електронни трансформатори (PET), DC трансформатори за електрифицирани транспортни средства.

• Потребление: DC питащи устройства за производство на водород/алюминий, директни зареждащи системи, директни питащи източници за данни центрове.

(1) Тракционна система на железопътния транспорт — 25kV тракционен PETT

Системите с преобразуватели, основани на SST, са ключово оборудване за строителството на следващо поколение електроенергийни мрежи.

Ключови технически прориви:

• Технологии за преобразуване с висока изолация и висока честота, както и високомощностни високочестотни трансформатори

• Високо напрежение (AC25kV директно свързване) и висока изолационна технология в компактен дизайн (устойчивост към напрежение: 85kV/1min)

• Адаптация към условия с силни удари и вибрации, ефективно фазово охлаждане

• Високочестотни, високоефективни топологии за преобразуване и техники за управление, високочестотно модулиращо управление с гладко свързване

Резултати от приложението:

• Инсталиран и тестирани на ЕМУ с 140 km/h през 2020 г., изходящо DC1800V

• Номинална ефективност от 96.7% (с 2% повече от съществуващите системи), 20% увеличение на мощността на площта

• Пълно контролирана страна на мрежата, позволяваща активно филтриране, компенсация на реактивна мощност, нулево намагничаване и без изгуби при режим на очакване

• Първи в света продукт 25kV-SST, който постига динамично тестирование на борд

(2) Питане на градския железопътен транспорт — Многопортов маршрутизатор на енергията за метрополитанските системи

Основен дизайн:
Четиринадравен изолиран конструкция, поддържаща тракционна мощност, допълнителна мощност, накопителни устройства и интеграция на фотоелементи.

Ключови технологии:

• Двупосочна полна мостова LLC схема на топология, основана на IGBT

• DAB схема на топология, основана на SiC, с серия-паралелна DC конфигурация

• Технология за мягко свързване на мощностни устройства (ефективност на клон ≥98.5%)

• Споделен 12-импулсен трансформатор, свързан с AC мрежата, елиминира обикалящите токове при паралелно свързване с диодни выпрямители

Преимущества на приложението:

• Елиминира громоздките линейно-честотни рециклиращи трансформатори; 26% по-малка площ, намалява пространството за инсталиране и разходите за строителството

• Без изгуби при режим на безнагласна работа на трансформатора, позволява модернизация на съществуващите линии

• Интегрира выпрямяване, обратна енергийна връзка, реактивна компенсация и хармонично филтриране за точен многопортов контрол на потока на мощността

(3) Зареждане и замяна на батерии — 10kV директно свързан SST за зареждане на електромобили

Конфигурация на системата:

• Директно свързване на 10kV средноволтна мрежа, капацитет 1MVA: 1 модул за директно зареждане + 2 модула за споделена шина

• Конфигуриран с 300kW ултра-бързо зареждане и шест 120kW бързи зарядни устройства; съвместим с интеграция на фотоелементи и накопителни устройства, както и със средноволтна мрежа

Основни функции:

• Интегрира трансформатор и модули за зареждане; широк диапазон на регулиране на напрежението позволява директно зареждане, ефективност на системата ≥97% (пикови 98.3%)

• Осигурява подкрепа на мрежата и управление на качеството на енергията, позволява двупосочна V2G (автомобил-към-мрежа) и G2V (мрежа-към-автомобил) интеракция

(4) Питане на парковете — Нисковъглероден маршрутизатор на енергията (интеграция на фотоелементи, накопителни устройства и зареждане)

Архитектура на системата:
10kV директно свързан маршрутизатор на енергията, основан на SST, с портове AC10kV и DC750V, с накопителни устройства, DC зареждащи интерфейси и DC защитни устройства на изхода.

Основна конфигурация:
315kW SST шкаф, 976.12kWp фотоелементи, 0.5MW/1.3MWh накопителни устройства, 10 DC зареждащи стации.

Стойност на приложението:

• Намалява разходите за електроенергия чрез генериране на PV и арбитраж на върховете на енергийното съхранение

• Намалява потребността от капацитет на станцията, буферира влиянието в мрежата и предлага отлична мащабируемост

• Комбинацията „твърд DC изключвател + изключвател“ от страна на изхода осигурява изолация при дефект на съоръженията за съхранение и зареждане

(5) Интеграция на възобновяеми източници на енергия — DC/DC енергиен маршрутизатор за преобразуване на PV в водород

Основни параметри:

• Изолиран преобразувател DC/DC 5MW: вход DC800–1500V, изход DC0–850V, свързан с шината на електролизатора за водород

• Капацитет на един кабинет: 3/6MVA, мащабируем от 3–20MVA; напрежението на изхода може да се адаптира до DC0–1300V/2000V

Технически предимства:

• Намалява етапите на преобразуване в сравнение с преноса чрез AC; обща ефективност 96%–98%

• Високочестотни изолирани DC трансформатори с гъвкави сериен-паралелни топологии, подходящи за PV, съхранение, железопътен ток, производство на водород/алюминий

• Модулна, конфигурируема платформа, подготвена за различни специфични за индустрията нужди на DC мрежата

(6) Оптимизация на разпределителната мрежа

Устройство за гъвкава интерконекция на средно- и нисковолтови мрежи:

• Решава проблеми като несбалансираност на натоварването, растящо разпределено PV, разширяване на зарядните устройства за ЕС, и подобряване на надеждността

• При нормална работа: асинхронна интерконекция на мрежата с контрол на активния/реактивен поток, подобряване на интеграцията на възобновяемите източници и изолация на качеството на енергията

• При дефект: бърза изолация и автоматично превключване, за да се предотвратят прекъсвания

Система за съхранение, свързана директно на 10kV:

• Свързване към средно/високонапрежената мрежа намалява загубите по линията

• Двуфазно преобразуване позволява широк диапазон на регулиране на напрежението

• Модулна конфигурация на PCS и батерии

• По-гъвкав капацитет в сравнение с каскадна H-мостова топология, осигурява безопасност на изолацията на батерията и пълно управление на потока на енергията

(7) Свързване с мрежата от страна на генерацията — нов интерфейс на 10kV за пряко свързване на фотогенератори

Технически характеристики:

• Високочестотна изолация + каскадна CHB основна схема

• Капацитет: N×315kVA (мащабируем), изход, съвместим с системи 1500V, ефективност >98.3%

Основни предимства:

• Пряко свързване на средно напрежение с изолиран DC-DC, изпълняващ MPPT (Максимална точка на мощност) и изолация/регулиране на напрежението

• Опростена двуфазна архитектура, много ефективна; реагира директно на изискванията на мрежата на ниво 10kV

• Приложима в индустриални, комерсиални и селски разпределени PV сценарии

(8) От страна на натоварването — опит за доставка на енергия в центровете за данни, базиран на SST

Решение за пряко свързване на 10kV:

• Мощност 2.5MW (315kW × 8), ефективност на системата 98.3%, използва високочестотно изолирано преобразуване

• DC кръгова мрежа на 400VDC от страна на DC

• Пълен PWM контрол достига фактор на мощност >0.99, хармоники <3%

Бъдещ перспективи

С фокус върху AC/DC разпределителните мрежи, разширени до възобновяеми източници, транспорт, доставка на енергия, управление на енергията и защита при дефект, SST-тата позволяват интегрирано системно решение, включващо:

• Хибридна доставка на енергия AC/DC

• Интеграция на източник-мрежа-натоварване-съхранение

• Оптимизирано управление на енергията и диспечериране на потока на енергията
  Подкрепя строителството на следващо поколение енергийни системи.

III. Приложни предизвикателства и разисквания

(1) Предизвикателства за съвместимост на релейната защита
Необходими са проучвания върху съвместимостта между силното електронно оборудване и традиционните разпределителни системи, особено за краткосрочни, земни и отворени дефекти. Трябва да бъдат установени ясни стратегии за контрол по време на преодоляване на дефектите и механизми за координация на релейната защита.

(2) Предизвикателства за интеграция на диспечериране, управление и мониторинг
Широкото прилагане на новото електронно оборудване повдига проблеми на адаптация в диспечериране и мониторинг, които изискват решения на три основни нужди:

• • Правила за разпределяне и пазарни механизми: Традиционната логика „източникът следва потреблението“ не може да удовлетвори двупосочните взаимодействия „потребление-източник-мрежа“. Трябва да се разработят многопосочни пазарни механизми за потоковете на електроенергия.

  • Стандартизиране и интероперабилност: Разнообразните протоколи за интерфейси на устройства водят до лоша интероперабилност между доставчиците. Трябва да се насърчават стандартизирани комуникационни протоколи и набори от команди за управление.

  • Съгласувано разпределяне в междурегионален аспект: Гъвкавата връзка премахва традиционните граници на зони. Трябва да се установят единни рамки за разпределение на отговорност, споделени резерви и съгласувано разпределяне в междурегионален аспект.

  Тези предизвикателства изискват единни стандарти и механизми за наблюдение и изпълнение, за да бъдат решени.