Tecnologia SST: Anàlisi d'escenaris complets en la generació transmissió distribució i consum d'energia

I. Antecedents de recerca

Necessitats de transformació del sistema elèctric

Els canvis en l'estructura energètica estan imposant més exigències als sistemes elèctrics. Els sistemes elèctrics tradicionals estan passant a sistemes elèctrics de nova generació, amb les diferències principals entre ells esbossades com segueix:

Ⅱ. Escenaris d'aplicació bàsica dels transformadors de estat sòlid (SST)

En el context dels nous sistemes elèctrics, el suport actiu, la regulació de la integració a la xarxa, l'interconnexió flexible i la interacció entre oferta i demanda han esdevingut requisits clau per a la complementaritat energètica espaciotemporal. Els SST permeixen totes les etapes—generació, transmissió, distribució i consum—amb aplicacions específiques com segueix:

• Generació: Convertidors connectats directament a la xarxa, equips formatius de xarxa, transformadors de corrent contínua de mitja tensió per a la integració d'energia eòlica, solar i d'emmagatzematge.

• Transmissió: Transformadors de distribució de corrent contínua de mitja i alta tensió, dispositius d'interconnexió DC flexible.

• Distribució: Unitats d'interconnexió flexible de mitja i baixa tensió, transformadors electrònics de potència (PET) flexibles, transformadors de corrent contínua per a la transportació elèctrica.

• Consum: Fonts d'alimentació de corrent contínua per a la producció d'hidrogen/alumini, sistemes de càrrega connectats directament, fonts d'alimentació de centres de dades connectats directament.

(1) Tracció del transport ferroviari — PETT de tracció de 25kV

Els sistemes convertidors basats en SST són equipaments bàsics per a la construcció de les xarxes elèctriques de la següent generació.

Avanços tècnics clau:

• Conversió de topologia de freqüència alta amb aïllament elevat i tecnologies de transformadors de gran potència i freqüència alta

• Tensió alta (AC25kV connectada directament) i tecnologia d'aïllament elevat en un disseny compacte (tensió de resistència: 85kV/1min)

• Adaptació a entorns d'impacte i vibració forts, refredament eficient de canvi de fase

• Topologies de conversió de freqüència alta i eficiència elevada i tècniques de conducció, control de modulació de freqüència alta amb commutació suau

Resultats d'aplicació:

• Instal·lat i provat en un EMU de 140 km/h el 2020, produint DC1800V

• Eficiència nominal del 96,7% (2% superior als sistemes existents), augment del 20% en la densitat de potència

• Control total del costat de la xarxa que permet filtratge actiu, compensació de potència reactiva, corrent d'excitació inicial zero i no hi ha pèrdues en mode d'espera

• Primer producte 25kV-SST del món que ha assolit proves dinàmiques a bord de vehicle

(2) Alimentació elèctrica del transport urbà — Enrutador d'energia multiport per a sistemes de metro

Disseny bàsic:
Estructura aïllada de quatre ports que suporta la potència de tracció, la potència auxiliar, l'emmagatzematge d'energia i la integració fotovoltaica.

Tecnologies clau:

• Topologia de circuit full bridge de dos nivells basada en IGBTs

• Topologia de circuit DAB basada en SiC amb configuració de corrent contínua en sèrie-paral·lel

• Tecnologia de commutació suau per a dispositius de potència (eficiència de branca ≥98,5%)

• Transformador compartit de 12 pols connectat a la xarxa AC, eliminant corrents circulants quan es paral·lelitza amb rectificadors de diodes

Avantatges d'aplicació:

• Elimina els voluminosos transformadors regeneradors de freqüència de línia; reducció del 26% en la superfície, reduint l'espai d'instal·lació i els costos de construcció

• No hi ha pèrdues de carrega del transformador, permetent la retrofacció de línies existents

• Integra rectificació, retroalimentació d'energia, compensació reactiva i filtratge harmònic per al control precís del flux de potència multiconducte

(3) Càrrega i canvi de bateria — SST connectat directament de 10kV per a la càrrega de vehicles elèctrics

Configuració del sistema:

• Connexió directa de mitja tensió de 10kV, capacitat de 1MVA: 1 mòdul de càrrega directa + 2 mòduls de xarxa compartida

• Configurat amb càrrega ultra-ràpida de 300kW i sis càrregues ràpides de 120kW; compatible amb la integració de PV-emmagatzematge i la connexió a la xarxa de mitja tensió

Funcions bàsiques:

• Integra els mòduls de transformador i càrrega; regulació de tensió d'ampli rang que permet la càrrega directa, eficiència del sistema ≥97% (pic 98,3%)

• Proporciona suport a la xarxa i gestió de la qualitat de la potència, permetent la interacció bidireccional V2G (vehicle a xarxa) i G2V (xarxa a vehicle)

(4) Alimentació elèctrica del parc — Enrutador d'energia de parc de baixes emissions (integració de PV-emmagatzematge-càrrega)

Arquitectura del sistema:
Enrutador d'energia connectat directament de 10kV basat en SST, amb ports AC10kV i DC750V, amb emmagatzematge de bateries, interfícies de càrrega DC i dispositius de protecció DC al costat de sortida.

Configuració bàsica:
Cabina SST de 315kW, 976,12kWp PV, 0,5MW/1,3MWh d'emmagatzematge d'energia, 10 estacions de càrrega DC.

Valor d'aplicació:

• Redueix els costos d'electricitat a través de la generació fotovoltaica i l'arbitratge de tall de pícnia de l'emmagatzematge d'energia

• Redueix la demanda de capacitat de la estació, atenueix l'impacte en la xarxa i ofereix una excel·lent escalabilitat

• La combinació de "interruptor de circuit DC de massa sòlida + interruptor de desconnectament" al costat de sortida assegura l'aïllament de fallades per a les estacions d'emmagatzematge i càrrega

(5) Integració d'Energia Renovable — Enrutador d'Energia DC/DC per a Fotovoltaic-a-Hidrogen

Paràmetres Nucleals:

• Convertidor DC/DC aïllat de 5MW: entrada DC800–1500V, sortida DC0–850V, connectat a la barra d'electrolitzadors d'hidrogen

• Capacitat d'un armari únic: 3/6MVA, escalable de 3–20MVA; tensió de sortida adaptable a DC0–1300V/2000V

Avantatges Tècnics:

• Redueix les etapes de conversió en comparació amb la transmissió AC; eficiència global del 96%–98%

• Transformadors DC aïllats de freqüència alta amb topologies en sèrie-paral·lel flexibles, adequats per a fotovoltaica, emmagatzematge, alimentació ferroviària, producció d'hidrogen/alumini

• Plataforma modular i configurable adaptada a les diverses necessitats específiques de la indústria de la xarxa DC

(6) Optimització de la Xarxa de Distribució

Dispositiu Flexible d'Interconnexió de Baixa i Mitjana Tensió:

• Aborda el desequilibri de càrrega, l'increment de la fotovoltaica distribuïda, l'expansió dels punts de càrrega d'VE i la millora de la fiabilitat

• Operació normal: interconnexió asincrònica de la xarxa amb control de flux de potència activa/reactiva, millora de la integració renovable i aïllament de la qualitat de l'energia

• Condició de falla: aïllament ràpid i commutació automàtica per prevenir interrupcions

Sistema d'Emmagatzematge d'Energia Directament Connectat a 10kV:

• La connexió a la xarxa de mitjana/alta tensió redueix les pèrdues de línia

• La conversió en dues etapes permet un ampli rang de regulació de tensió

• Configuració modular de PCS i bateries

• Capacitat més flexible en comparació amb la topologia H-bridge en cascada, assegurant la seguretat de l'aïllament de les bateries i el control de flux de potència de tota la cadena

(7) Connexió a la Xarxa al Costat de Generació — Nova Interfície de Xarxa Fotovoltaica Directament Connectada a 10kV

Característiques Tècniques:

• Aïllament de freqüència alta + topologia de circuit principal CHB en cascada

• Capacitat: N×315kVA (escalable), sortida compatible amb sistemes de 1500V, eficiència >98.3%

Avantatges Nucleals:

• Connexió directa a mitjana tensió amb DC-DC aïllat que realitza MPPT (Seguiment del Punt de Potència Màxima) i aïllament/regulació de tensió

• Arquitectura simplificada en dues etapes, altament eficient; respon directament a les demandes de la xarxa a nivell de 10kV

• Aplicable a escenaris de PV distribuït industrial, comercial i rural

(8) Costat de Càrrega — Subministrament Elèctric de Centres de Dades Basat en SST

Solució de Connexió Directa a 10kV:

• Potència de 2.5MW (315kW × 8), eficiència del sistema del 98.3%, utilitzant conversió aïllada de freqüència alta

• Xarxa anular DC de 400V al costat DC

• Control total PWM aconsegueix un factor de potència >0.99 al costat de la xarxa, harmònics <3%

Perspectiva Futura

Centrat en les xarxes de distribució AC/DC, s'estén a les renovables, el transport, el subministrament d'energia, la gestió energètica i la protecció de fallades, els SSTs habiliten una solució de sistema integrada que engloba:

• Subministrament híbrid AC/DC

• Integració font-xarxa-càrrega-emmagatzematge

• Gestió energètica i despach optimitzats i control de flux de potència
  Assistint a la construcció dels sistemes de energia de la pròxima generació.

III. Desafiaments d'Aplicació i Discussió

(1) Desafiament de Compatibilitat de Protecció per Relé
Cal investigar la compatibilitat entre els transformadors electrònics de potència i els sistemes de distribució tradicionals, especialment per a les fallades de curto-circuit, terra i circuit obert. Es han d'establir estratègies de control clares durant el passatge de fallades i mecanismes de coordinació per a la protecció per relé.

(2) Desafiaments d'Integració de Despach, Gestió i Monitorització
L'adopció generalitzada de nou equipament electrònic de potència planteja problemes d'adaptació en el despach i la monitorització, requereixent solucions a tres necessitats nucleals:

• • Regles de despach i mecanismes de mercat: La lògica tradicional de "la font segueix la càrrega" no pot acomodar les interaccions bidireccionals "càrrega-font-xarxa". Cal desenvolupar mecanismes de mercat per fluxos d'energia multidireccionals.

  • Estandarització i interoperabilitat: Els diversos protocols d'interfície dels dispositius condueixen a una baixa interoperabilitat entre els proveïdors. Cal promoure protocols de comunicació estandaritzats i conjunts de comandes de control.

  • Despach coordinat transregional: La interconnexió flexible treu les fronteres tradicionals de zones. Cal establir marcs de responsabilitat unificada, compartició de reserves i despach coordinat transregional.

  Aquests reptes requereixen normes unificades i mecanismes d'execució de monitorització per resoldre-los.