SST-Technologie: Vollständige Szenarienanalyse in Erzeugung, Übertragung, Verteilung und Verbrauch von Elektrizität

I. Forschungshintergrund

Bedürfnisse an der Transformation des Energiesystems

Veränderungen in der Energiestruktur stellen höhere Anforderungen an Energiesysteme. Traditionelle Energiesysteme wandeln sich zu neuen Generationen von Energiesystemen, mit den folgenden wesentlichen Unterschieden:

Ⅱ.Kernanwendungsszenarien für Festkörperspannungswandler (SST)

Im Rahmen neuer Energiesysteme werden aktive Unterstützung, Netzintegration, flexible Verbindung und die Interaktion zwischen Angebot und Nachfrage zu wichtigen Anforderungen für die räumliche und zeitliche Ergänzung von Energie. SSTs durchdringen alle Stufen – Erzeugung, Übertragung, Verteilung und Verbrauch – mit den folgenden spezifischen Anwendungen:

• Erzeugungsseite: Direkt angeschlossene Netzverbundwandler, Netzformende Geräte, mittelspannungs-Direktspannungswandler zur Integration von Wind, Solar und Speicher.

• Übertragungsseite: Mittel- und hochspannungs-Direktspannungswandler, flexible DC-Verbindungseinrichtungen.

• Verteilungsseite: Flexible Mittel- und Niederspannungs-Verbindungseinheiten, flexible verteilte Leistungselektronik-Transformator (PET), DC-Transformator für elektrisierten Verkehr.

• Verbrauchsseite: Gleichstromversorgung für Wasserstoff/Aluminium-Produktion, direkt angeschlossene Ladesysteme, direkt angeschlossene Datenzentrum-Stromquellen.

(1) Bahnschienen-Traktion — 25kV Traktions-PETT

Wandlerbasierte Umrichtersysteme sind Kerngeräte zum Aufbau der nächsten Generation von Stromnetzen.

Wesentliche technische Durchbrüche:

• Hochisolierte Hochfrequenz-Topologie-Umsetzung und Hochleistung-Hochfrequenz-Transformatortechnologien

• Hochspannung (AC25kV direkte Verbindung) und Hochisolationstechnologie bei kompakter Bauweise (Durchschlagsfestigkeit: 85kV/1min)

• Anpassung an starke Stoß- und Vibrationsumgebungen, effiziente Phasenwechsel-Kühlung

• Hochfrequente, hoch-effiziente Umrichtertopologien und Antriebstechniken, Hochfrequenzmodulationskontrolle mit sanfter Schaltvorgänge

Anwendungsergebnisse:

• Installiert und getestet auf einem 140 km/h EMU im Jahr 2020, Ausgabe DC1800V

• Nennleistungseffizienz von 96,7% (2% höher als bestehende Systeme), 20% Anstieg der Leistungsstärke

• Vollständig gesteuerte Netzzugangseite ermöglicht aktive Filterung, Blindleistungskompensation, Null-Magnetisierungsrücklaufstrom und keine Standby-Verluste

• Weltweit erstes 25kV-SST-Produkt, das eine fahrzeuggestützte dynamische Prüfung erreicht hat

(2) Stadtverkehrsstromversorgung — Mehrport-Energielenker für U-Bahn-Systeme

Kernkonzept:
Vierport-isolierte Struktur, die Traktionsenergie, Hilfsenergie, Energiespeicherung und PV-Integration unterstützt.

Schlüsseltechnologien:

• Zweistufige Vollbrücken-LLC-Schaltkreis-Topologie basierend auf IGBTs

• SiC-basierte DAB-Schaltkreis-Topologie mit Reihen-Parallel-Gleichstromkonfiguration

• Weichschalttechnologie für Leistungselemente (Zweigeffizienz ≥98,5%)

• Gemeinsamer 12-Puls-Transformator verbunden mit AC-Netz, eliminiert Zirkulationsströme bei Parallelbetrieb mit Diodenrektifier

Anwendungsvorteile:

• Eliminiert voluminöse Netzfrequenz-Wiedererzeugungs-Transformator; 26% geringerer Platzbedarf, reduziert Installationsspace und Baukosten

• Keine Leerlaufverluste des Transformators, ermöglicht Modernisierung bestehender Leitungen

• Integriert Rektifizierung, Energie-Rückführung, Blindleistungskompensation und Harmonische-Filterung für präzise Mehrport-Leistungsführung

(3) Lade- und Batteriewechsel — 10kV Direktanschluss-SST für Elektroauto-Ladung

Systemkonfiguration:

• 10kV Mittelspannungs-Direktanschluss, 1MVA Kapazität: 1 Direktlademodul + 2 gemeinsame Bus-Netzwerkmodule

• Konfiguriert mit 300kW Ultra-Schnellladung und sechs 120kW Schnellladegeräten; kompatibel mit PV-Speicher-Integration und Mittelspannungsnetzanbindung

Kernfunktionen:

• Integriert Transformator und Lademodule; breite Spannungsregelung ermöglicht Direktladung, Systemeffizienz ≥97% (Peak 98,3%)

• Bietet Netzunterstützung und Qualitätsmanagement, ermöglicht bidirektionale V2G (Fahrzeug-zu-Netz) und G2V (Netz-zu-Fahrzeug)-Interaktion

(4) Parkstromversorgung — Niedrigkohlenstoffpark-Energielenker (PV-Speicher-Lade-Integration)

Systemarchitektur:
10kV direkt angeschlossener Energielenker basierend auf SST, mit AC10kV- und DC750V-Ports, Batteriespeicher, DC-Ladeschnittstellen und DC-Schutzeinrichtungen auf der Ausgangsseite.

Kernkonfiguration:
315kW SST-Schrank, 976,12kWp PV, 0,5MW/1,3MWh Energiespeicher, 10 DC-Ladestationen.

Anwendungswert:

• Reduziert Stromkosten durch PV-Erzeugung und Spitzenlast-Abschwächung durch Energiespeicher

• Senkt die Anforderungen an die Stationkapazität, dämpft den Netzwerkausfall und bietet hervorragende Skalierbarkeit

• Ausgangsseitige "Festkörper-Gleichstrom-Sicherung + Trennschalter"-Kombination gewährleistet Fehlerschutz für Speicher und Ladestationen

(5) Erneuerbare Energien-Integration — DC/DC-Energielenker für PV-zu-Wasserstoff

Kernparameter:

• 5MW isolierter DC/DC-Wandler: Eingang DC800–1500V, Ausgang DC0–850V, an Wasserstofferzeugungsbus angebunden

• Einzelkastenkapazität: 3/6MVA, skalierbar von 3–20MVA; Ausgangsspannung anpassbar an DC0–1300V/2000V

Technische Vorteile:

• Reduziert die Umwandlungsstufen im Vergleich zur Wechselstromübertragung; Gesamteffizienz 96%–98%

• Hochfrequente isolierte DC-Transformator mit flexiblen Serien-Parallel-Topologien, geeignet für PV, Speicher, Bahnstrom, Wasserstoff/Aluminium-Produktion

• Modulares, konfigurierbares Plattform, angepasst an die vielfältigen branchenspezifischen DC-Netzbedürfnisse

(6) Optimierung des Verteilnetzes

Flexible Mittel- und Niederspannungs-Verbindungseinrichtung:

• Behebt Lastungleichgewichte, steigende dezentrale PV, Expansion von Elektroauto-Ladestationen und Verbesserung der Zuverlässigkeit

• Normalbetrieb: asynchrone Netzanbindung mit aktiver/reaktiver Leistungsführung, verbesserte Integration erneuerbarer Energien und Qualitätsisolierung

• Störungszustand: schnelle Isolierung und automatische Umschaltung, um Ausfälle zu verhindern

10kV Direktanschluss-Energiespeichersystem:

• Mittel-/Hochspannungs-Netzanschluss reduziert Leitungsausfälle

• Zweistufige Umwandlung ermöglicht breite Spannungsregelung

• Modulare PCS- und Batteriekonfiguration

• Flexiblere Kapazität im Vergleich zur kaskadenartigen H-Brückentopologie, gewährleistet Batterieisolationssicherheit und vollständige Leistungsführung

(7) Netzanschluss auf der Erzeugungsseite — 10kV Direktanschluss-Photovoltaik-Neues Netzinterface

Technische Merkmale:

• Hochfrequente Isolation + kaskadenartige CHB-Hauptkreis-Topologie

• Kapazität: N×315kVA (skalierbar), Ausgang kompatibel mit 1500V-Systemen, Effizienz >98,3%

Kernvorteile:

• Mittelspannungs-Direktanschluss mit isoliertem DC-DC, das MPPT (Maximum Power Point Tracking) und Isolation/Spannungsregelung durchführt

• Vereinfachte zweistufige Architektur, sehr effizient; reagiert direkt auf Netzbedürfnisse auf 10kV-Ebene

• Anwendbar in industriellen, kommerziellen und ländlichen dezentralen PV-Szenarien

(8) Lastseite — Datencenter-Stromversorgung basierend auf SST

10kV Direktanschlusslösung:

• 2,5MW Leistung (315kW × 8), Systemeffizienz 98,3%, unter Verwendung von hochfrequenter isolierter Umwandlung

• 400VDC Gleichstromringnetz auf der Gleichstromseite

• Vollständige PWM-Steuerung erreicht Netzseite-Leistungsfaktor >0,99, Harmonische <3%

Zukunftsaussichten

Mit dem Fokus auf AC/DC-Verteilnetzen, die sich auf erneuerbare Energien, Verkehr, Stromversorgung, Energiemanagement und Fehlerabsicherung ausdehnen, ermöglichen SSTs eine integrierte Systemlösung, die umfasst:

• Hybride AC/DC-Stromversorgung

• Quelle-Netz-Last-Speicher-Integration

• Optimiertes Energiemanagement und Leistungsführung
  Unterstützt den Aufbau der nächsten Generation von Energiesystemen.

III. Anwendungsherausforderungen und Diskussion

(1) Herausforderung der Relais-Schutzkompatibilität
Forschung ist erforderlich zur Kompatibilität zwischen Leistungselektronik-Transformator und traditionellen Verteilsystemen, insbesondere für Kurzschluss-, Erdungs- und Offenleitungsfehler. Klare Steuerstrategien während des Fehlerdurchlaufs und Koordinierungsmechanismen für Relaisschutz müssen etabliert werden.

(2) Herausforderungen bei der Dispatch, Management und Überwachungsintegration
Die weite Verbreitung neuer Leistungselektronik-Geräte führt zu Anpassungsproblemen in der Dispatch und Überwachung, wobei Lösungen für drei Kernanforderungen benötigt werden:

• Dispatch-Regeln & Marktmekanismen: Die traditionelle „Quelle-folgt-Last“-Logik kann nicht die bidirektionale „Last-Quelle-Netz“-Interaktionen akkommodieren. Es müssen multidirektionale Leistungsmarktmechanismen entwickelt werden.

• Standardisierung & Interoperabilität: Verschiedene Geräteschnittstellenprotokolle führen zu mangelnder Interoperabilität zwischen Herstellern. Standardisierte Kommunikationsprotokolle und Steuerbefehlssätze müssen gefördert werden.

• Koordinierte Dispatch über Regionen hinweg: Flexible Verbindungen brechen traditionelle Zonenbegrenzungen. Einheitliche Verantwortlichkeitszuweisung, Reservefreigabe und koordinierte Dispatchrahmen über Regionen hinweg müssen etabliert werden.

Diese Herausforderungen erfordern einheitliche Standards und Ausführungsmechanismen zur Überwachung, um sie zu lösen.