SST-teknologi: Fuld-scenarieanalyse i produktion overførsel distribution og forbrug

I. Forskningsbaggrund

Behov for transformation af kraftsystemer

Ændringer i energistrukturen stiller højere krav til kraftsystemer. Traditionelle kraftsystemer overgår til nygenerations kraftsystemer, med de centrale forskelle mellem dem som følger:

Ⅱ.Kernescenarier for anvendelse af fasttilstandstransformatorer (SST)

Under baggrunden af nye kraftsystemer, er aktiv støtte, netintegration, fleksibel forbinding og forsyning-efterspørgsel interaktion blevet nøglekrav til rumlig-tidsmæssig energi komplementaritet. SST gennemdrager alle faser—generering, transmission, distribution og forbrug—med specifikke anvendelser som følger:

• Generering side: Direkte forbundne grid-tilsluttede konvertere, grid-formende udstyr, mediumspændings DC-transformatorer for integration af vind, sol og lagring.

• Transmission side: Medium- og højspændings DC-distributionstransformatorer, fleksible DC-forbindelsesenheder.

• Distribution side: Medium- og lavspændings fleksible forbindelsesenheder, fleksible distributionspower electronics transformatorer (PET), DC-transformatorer for elektrificerede transportmidler.

• Forbrug side: DC-strømforsyninger til brint/aluminium produktion, direkte forbundne opladningssystemer, direkte forbundne datacenter strømforsyninger.

(1) Jernbane traction — 25kV Traction PETT

SST-baserede konvertere er kerneudstyr for opbygningen af næste generations kraftnet.

Vigtige tekniske gennembrud:

• Højisolations højfrekvens topologi konvertering og høj effekt højfrekvens transformator teknologier

• Højspænding (AC25kV direkte forbindelse) og høj isolering teknologi under kompakt design (udholdenhed: 85kV/1min)

• Anpasset til stærke påvirkninger og vibrationsmiljøer, effektiv fasenskift køling

• Højfrekvens, højeffektive konverteringstopologier og drivteknikker, højfrekvens modulation kontrol med glidende skift

Anvendelsesresultater:

• Installerede og testet på en 140 km/t EMU i 2020, producerer DC1800V

• Nominel effektivitet på 96,7% (2% højere end eksisterende systemer), 20% øget effektdensitet

• Fuldt kontrolleret net side muliggør aktiv filtrering, reaktiv effektkompensation, nul magnetisering inrush strøm og ingen standbytab

• Verdens første 25kV-SST produkt til at opnå køretøjsmountet dynamisk test

(2) Bybanestrømforsyning — Flere-port energiruter for metro-systemer

Kerne design:
Fire-port isoleret struktur, der understøtter traction power, hjælpestrøm, energilagering og PV-integration.

Kernetechnologier:

• To-niveau fullbro LLC-kredsløbs topologi baseret på IGBT'er

• SiC-baseret DAB kredsløbs topologi med serie-parallell DC-konfiguration

• Soft-switching teknologi for effekt-enheder (gren effekt ≥98,5%)

• Delte 12-puls transformer forbundet til AC-net, eliminere cirkulerende strøm når parallelt med diode rectifiers

Anvendelsesfordel:

• Eliminerer store linjefrekvens regenerative transformer; 26% mindre fodprint, reducerer installationsrum og bygningsomkostninger

• Ingen transformer tomgangstab, muliggør ombygning af eksisterende linjer

• Integrerer rettificering, energifeedback, reaktiv kompensation og harmonisk filtrering for præcis flerport strøm kontrol

(3) Opladning & batteribydif — 10kV direkte forbundne SST for EV opladning

Systemkonfiguration:

• 10kV mediumspændings direkte forbindelse, 1MVA kapacitet: 1 direkte opladningsmodul + 2 delte bus netværksmoduler

• Konfigureret med 300kW ultra-hurtig opladning og seks 120kW hurtige opladere; kompatibel med PV-lager integration og mediumspændings net forbindelse

Kerne funktioner:

• Integrerer transformer og opladningsmoduler; bred spændingsregulering muliggør direkte opladning, systemeffektivitet ≥97% (peak 98,3%)

• Tilbyder net support og strømkvalitets management, muliggør tovejs V2G (vehicle-to-grid) og G2V (grid-to-vehicle) interaktion

(4) Park strømforsyning — Lavkarbon park energiruter (PV-Lager-Opladning Integration)

Systemarkitektur:
10kV direkte forbundne energiruter baseret på SST, med AC10kV og DC750V porte, med batterilager, DC opladnings grænseflader og DC beskyttelsesenheder på output siden.

Kerne konfiguration:
315kW SST kabinet, 976,12kWp PV, 0,5MW/1,3MWh energilager, 10 DC opladningsstationer.

Anvendelsesværdi:

• Reducerer elektricitetsomkostninger gennem PV-produktion og energilager peak-shaving arbitrage

• Lægger ned på station kapacitetsbehov, bufferer net påvirkning, og tilbyder fremragende skalbarhed

• Output-siden "fasttilstand DC circuit breaker + afbryder" kombination sikrer fejl isolation for lager og opladningsstationer

(5) Integrering af vedvarende energi — DC/DC energiruter for PV-til-brint

Kerne parametre:

• 5MW isoleret DC/DC konverter: input DC800–1500V, output DC0–850V, forbundet til brintelektrolyse busbar

• Enkeltskab kapacitet: 3/6MVA, skalbar fra 3–20MVA; output spænding tilpaselig til DC0–1300V/2000V

Tekniske fordele:

• Reducerer konverterings trin sammenlignet med AC-transmission; samlet effektivitet 96%–98%

• Højfrekvens isolerede DC-transformatorer med fleksible serie-parallelle topologier, egnet til PV, lager, jernbane strøm, brint/aluminium produktion

• Modulær, konfigurerbar platform tilpasset diverse branchens specifikke DC-net behov

(6) Optimering af distributionsnet

Medium- og lavspændings fleksibel forbindelsesenhed:

• Løser belastningsubalance, stigende decentraliseret PV, EV opladnings udvidelse, og pålidelighedsforbedring

• Normal drift: asynkron net interconnection med aktiv/reaktiv effekt strøm kontrol, forbedret integration af vedvarende energi, og strømkvalitets isolation

• Fejltilstand: hurtig isolation og automatisk skift til at forhindre afbrydelser

10kV direkte forbundne energilagersystem:

• Medium/højspændings net forbindelse reducerer linjetab

• To-trins konvertering muliggør bred spændingsregulering

• Modulær PCS og batterikonfiguration

• Flere fleksibel kapacitet sammenlignet med cascaded H-bridge topologi, sikrer batteri-isoleringssikkerhed og fuld kedestyring af strøm

(7) Net forbindelse på genereringsside — 10kV direkte forbundne fotovoltaisk ny net interface

Tekniske karakteristika:

• Højfrekvens isolation + cascaded CHB hovedkredsløbs topologi

• Kapacitet: N×315kVA (skalbar), output kompatibelt med 1500V systemer, effektivitet >98,3%

Kerne fordele:

• Mediumspændings direkte forbindelse med isoleret DC-DC udfører MPPT (Maximum Power Point Tracking) og isolation/spændingsregulering

• Forenklet to-trins arkitektur, højest effektiv; svarer direkte på net krav på 10kV niveau

• Applicerbar til industrielle, kommercielle og landlige distribuerede PV-scenarier

(8) Belastningsside — Datacenter strømforsyning baseret på SST

10kV direkte forbindelses løsning:

• 2,5MW effekt (315kW × 8), systemeffektivitet 98,3%, bruger højfrekvens isoleret konvertering

• 400VDC DC ringnet på DC side

• Full PWM kontrol opnår net-side effektfaktor >0,99, harmonikker <3%

Fremtidig udsigt

Centreret om AC/DC distributionsnet, udvides til vedvarende energi, transport, strømforsyning, energistyring og fejlbeskyttelse, SST'erne muliggør en integreret systemløsning, der inkluderer:

• AC/DC hybrid strømforsyning

• Kilde-net-belastning-lager integration

• Optimeret energistyring og strømlednings dispatch
  Støtter opbygningen af næste generations kraftsystemer.

III. Anvendelsesudfordringer og diskussion

(1) Kompatibilitetsudfordring for relæbeskyttelse
Der er behov for forskning i kompatibiliteten mellem power electronics transformatorer og traditionelle distributionsystemer, især for kortslutning, jordfejl og åben kredsløbsfejl. Klare kontrolstrategier under fejlride-through og koordinationsmekanismer for relæbeskyttelse må etableres.

(2) Udfordringer med dispatch, ledelse og overvågning integration
Den vidtrækkende anvendelse af nyt power electronics udstyr rejser tilpasningsproblemer i dispatch og overvågning, hvilket kræver løsninger på tre kerneneeds:

• Dispatch Regler & Marked Mekanismer: Den traditionelle "kilde-følger-belastning" logik kan ikke imødekomme bidirektionale "belastning-kilde-net" interaktioner. Multiretning strøm flow marked mekanismer må udvikles.

• Standardisering & Interoperabilitet: Diverse enhedsgrænseflade protokoller fører til dårlig interoperabilitet blandt leverandører. Standardiserede kommunikationsprotokoller og kontrolkommandosæt må fremmes.

• Krydsregionalt koordineret dispatch: Fleksibel forbindelse bryder traditionelle zonering grænser. En forenet ansvarsfordeling, reserve sharing, og krydsregionalt koordineret dispatch rammer må etableres.

Disse udfordringer kræver forenede standarder og overvågning udførelsesmekanismer for at løse.