SST Technologie: Komplexní analýza v oblasti výroby přenosu distribuce a spotřeby elektrické energie

I. Výzkumné základy

Potřeby transformace elektrických systémů

Změny v energetické struktuře klade na elektrické systémy vyšší nároky. Tradiční elektrické systémy přecházejí k nové generaci elektrických systémů, s hlavními rozdíly mezi nimi uvedenými níže:

Ⅱ. Klíčové aplikace pevných transformátorů (SST)

V kontextu nových elektrických systémů se aktivní podpora, regulace připojení k síti, flexibilní interkonexní spojení a interakce mezi nabídkou a poptávkou staly klíčovými požadavky na časoprostorovou doplněnost energií. SST pronikají všechny fáze - výrobu, přenos, distribuci a spotřebu - s konkrétními aplikacemi následujícími:

• Na straně výroby: Přímě připojené převodníky pro síť, zařízení tvořící síť, středově a vysokovoltážní DC transformátory pro integraci větru, solární energie a úložišť.

• Na straně přenosu: Středově a vysokovoltážní DC distribuční transformátory, flexibilní DC interkonexní zařízení.

• Na straně distribuce: Středově a nízkovoltážní flexibilní interkonexní jednotky, flexibilní distribuční elektronické transformátory (PET), DC transformátory pro elektrifikovanou dopravu.

• Na straně spotřeby: DC zdroje napájení pro výrobu vodíku/hliníku, přímě připojené nabíjecí systémy, přímě připojené zdroje napájení datových center.

(1) Tahačská trakce železnice — 25kV tahací PETT

Převodné systémy založené na SST jsou klíčovým vybavením pro stavbu budoucích elektrických sítí.

Klíčové technologické průlomové technologie:

• Vysokoodporné vysokofrekvenční topologie převodu a technologie vysokovýkonových vysokofrekvenčních transformátorů

• Vysokovoltážní (AC25kV přímé připojení) a vysokoodporné technologie v kompaktním designu (výdrž napětí: 85kV/1min)

• Přizpůsobení silným nárazovým a vibračním prostředím, efektivní fázové změny chladicího systému

• Vysokofrekvenční, vysokoeffektivní topologie a ovládací techniky, vysokofrekvenční modulační kontrola s hladkým přepínáním

Výsledky aplikace:

• Instalováno a otestováno na EMU rychlosti 140 km/h v roce 2020, výstup DC1800V

• Nominaální efektivita 96,7% (o 2% vyšší než u existujících systémů), 20% zvýšení hustoty výkonu

• Plně řízená strana sítě umožňuje aktivní filtrace, kompenzaci reaktivního výkonu, nulový magnetizační proud a žádné ztráty v rezervním režimu

• První světový produkt 25kV-SST, který dosáhl dynamických testů na vozidle

(2) Energetické zásobování městské dráhy — Multiportový energetický směrovač pro metropolitní systémy

Klíčový design:
Čtyřportová izolovaná struktura podporující tahací výkon, pomocný výkon, energetické úložiště a integraci fotovoltaiky.

Klíčové technologie:

• Dvouúrovňová topologie plného mostu LLC založená na IGBT

• Topologie obvodu DAB založená na SiC s sériově-paralelní DC konfigurací

• Technologie měkkého přepínání pro výkonové součástky (efektivita větve ≥98,5%)

• Sdílený 12impulsový transformátor připojený k AC síti, eliminuje cirkulační proudy při paralelním připojení s diodovými odporovými obvody

Výhody aplikace:

• Eliminuje objemné regenerační transformátory s frekvencí sítě; 26% menší plocha, snižuje prostor pro instalaci a náklady na výstavbu

• Bez ztrát transformátoru v nečinném stavu, umožňuje modernizaci stávajících linek

• Integruje usměrňování, energetickou zpětnou vazbu, kompenzaci reaktivního výkonu a harmonické filtry pro přesnou kontrolu toku energie na více portech

(3) Nabíjení a výměna baterií — 10kV přímě připojený SST pro nabíjení elektromobilů

Konfigurace systému:

• 10kV středově-voltážní přímé připojení, kapacita 1MVA: 1 modul přímého nabíjení + 2 moduly sdílené sběrnice

• Konfigurován s 300kW ultrarychlým nabíjením a šesti 120kW rychlými nabíječkami; kompatibilní s integrací PV-úložiště a středově-voltážním připojením k síti

Klíčové funkce:

• Integruje transformátor a moduly nabíjení; široký rozsah regulace napětí umožňuje přímé nabíjení, efektivita systému ≥97% (vrchol 98,3%)

• Poskytuje podporu sítě a správu kvality energie, umožňuje bidirekční V2G (vehicle-to-grid) a G2V (grid-to-vehicle) interakci

(4) Zásobování parku — Nízkouhlíkový energetický směrovač parku (integrace PV-úložiště-nabíjení)

Architektura systému:
10kV přímě připojený energetický směrovač založený na SST, s porty AC10kV a DC750V, s bateriovým úložištěm, DC nabíjecími rozhraními a ochrannými zařízeními DC na výstupní straně.

Klíčová konfigurace:
315kW SST skříň, 976,12kWp PV, 0,5MW/1,3MWh energetické úložiště, 10 DC nabíjecích stanic.

Hodnota aplikace:

• Snížení nákladů na elektrickou energii prostřednictvím výroby z fotovoltaiky a vyrovnávání špiček skrze energetické úložiště

• Snížení požadavku na kapacitu stanice, amortizace dopadu na síť a vynikající škálovatelnost

• Kombinace „pevnostavového DC spínacího přerušovače + odpojovacího spínače“ na straně výstupu zajišťuje izolaci poruch pro úložiště a nabíjecí stanice

(5) Integrace obnovitelných zdrojů — DC/DC energetický směrovač pro převod fotovoltaiky na vodík

Základní parametry:

• 5MW izolovaný DC/DC převodník: vstup DC800–1500V, výstup DC0–850V, spojen s sběrnou linkou elektrolýzy vodíku

• Kapacita jedné skříně: 3/6MVA, škálovatelné od 3–20MVA; výstupní napětí lze upravit na DC0–1300V/2000V

Technologické výhody:

• Snížení fází převodu oproti přenosu AC; celková efektivita 96%–98%

• Vysokofrekvenční izolované DC transformátory s flexibilními sériově-paralelními topologiemi, vhodné pro fotovoltaiku, úložiště, železniční energii, výrobu vodíku/hliníku

• Modulární, konfigurovatelná platforma přizpůsobená různorodým průmyslovým potřebám DC sítí

(6) Optimalizace distribuční sítě

Flexibilní propojovací zařízení střední a nízké napětí:

• Řeší nerovnoměrné zatížení, rostoucí distribuovanou fotovoltaiku, rozšiřování nabíječek EV a zlepšení spolehlivosti

• Běžná operace: asynchronní propojení sítí s kontrolou toku aktivní/reactivní energie, zlepšenou integrací obnovitelných zdrojů a izolací kvality energie

• Při poruše: rychlá izolace a automatické přepnutí k prevenci výpadků

Systém přímého připojení energie 10kV:

• Připojení k střední/vysoké napětí snižuje ztráty v čáru

• Dvoufázový převod umožňuje širokou regulaci napětí

• Modulární konfigurace PCS a baterií

• Větší flexibilita kapacity oproti kaskádové H-mostové topologii, zajišťuje bezpečnost izolace baterií a plnou kontrolu toku energie

(7) Připojení k síti na straně generace — nové přímé připojení 10kV fotovoltaického systému

Technické vlastnosti:

• Vysokofrekvenční izolace + kaskádová CHB hlavní obvodová topologie

• Kapacita: N×315kVA (škálovatelná), výstup kompatibilní s systémy 1500V, efektivita >98.3%

Hlavní výhody:

• Přímé připojení středního napětí s izolovaným DC-DC provádějícím MPPT (Maximum Power Point Tracking) a izolaci/regulaci napětí

• Zjednodušená dvoufázová architektura, velmi efektivní; odpovídá přímo požadavkům sítě na úrovni 10kV

• Aplikovatelné v průmyslových, obchodních a venkovských distribuovaných PV scénářích

(8) Strana spotřebičů — zásobování datového centra založeného na SST

Řešení přímého připojení 10kV:

• Výkon 2.5MW (315kW × 8), systémová efektivita 98.3%, používá vysokofrekvenční izolovaný převod

• DC síťový okruh 400VDC na straně DC

• Úplná PWM kontrola dosahuje faktoru moci na straně sítě >0.99, harmonické <3%

Budoucí perspektiva

Středem AC/DC distribučních sítí, rozšiřujících se na obnovitelné zdroje, dopravu, zásobování energií, správu energie a ochranu před poruchami, SST umožňují integrované systémové řešení, které zahrnuje:

• Hybridní zásobování AC/DC

• Integraci zdroje-sítě-spotřebiče-úložiště

• Optimalizovanou správu energie a dispečink těků energie
  Podporují stavbu další generace energetických systémů.

III. Aplikační výzvy a diskuse

(1) Výzva kompatibility s reléovou ochranou
Potřeba výzkumu kompatibility mezi elektronickými transformátory a tradičními distribučními systémy, zejména pro krátké spojení, zemní a otevřené obvody. Je třeba stanovit jasné strategie řízení při projíždění poruch a koordinační mechanismy pro reléovou ochranu.

(2) Výzvy integrace dispečinku, správy a monitoringu
Široké použití nového elektronického zařízení zvedá problémy adaptace v dispečinku a monitoringu, což vyžaduje řešení tří klíčových potřeb:

• • Pravidla dispečinku & tržní mechanismy: Tradiční logika „zdroj následuje zatížení“ nemůže akomodovat obousměrné interakce „zatížení-zdroj-síť“. Je třeba vyvinout tržní mechanismy s vícesměrovým tokem energie.

  • Standardizace & interoperabilita: Různorodé protokoly rozhraní zařízení vedou k špatné interoperabilitě mezi výrobci. Je třeba propagovat standardizované komunikační protokoly a sady řídících příkazů.

  • Koordinovaný dispečink napříč regiony: Flexibilní propojení ruší tradiční hranice zón. Je třeba stanovit integrovaná pravidla pro rozdělení odpovědnosti, sdílení rezerv a rámec pro koordinovaný dispečink napříč regiony.

  Tyto výzvy vyžadují unifikované standardy a mechanismy pro sledování provedení jejich řešení.