Τεχνολογία SST: Πλήρης Ανάλυση σε Όλους τους Φάκελους Παραγωγής, Μεταφοράς, Διανομής και Κατανάλωσης Ηλεκτρικής Ενέργειας

I. Ερευνητικό Φοντ

Ανάγκες Μετασχηματισμού Συστήματος Ρεύματος

Οι αλλαγές στη δομή της ενέργειας θέτουν υψηλότερες απαιτήσεις στα συστήματα ρεύματος. Τα παραδοσιακά συστήματα ρεύματος μετατρέπονται σε νέα γενιά συστημάτων ρεύματος, με τις βασικές διαφορές μεταξύ τους να είναι οι εξής:

ΙΙ. Κύριες εφαρμογές των Solid-State Transformers (SST)

Στο πλαίσιο των νέων συστημάτων ενέργειας, η ενεργή υποστήριξη, η ρύθμιση της ενσωμάτωσης στο δίκτυο, η ευέλικτη διασύνδεση και η αλληλεπίδραση προσφοράς-ζήτησης έχουν γίνει βασικές απαιτήσεις για την χωροχρονική συμπληρωματικότητα της ενέργειας. Οι SST ενσωματώνονται σε όλες τις φάσεις - παραγωγή, μεταφορά, κατανέμον, κατανάλωση - με συγκεκριμένες εφαρμογές όπως εξήγηση:

• Πλευρά παραγωγής: Μετατροπείς που συνδέονται άμεσα με το δίκτυο, συστήματα δημιουργίας δικτύου, μεσούνται διαστημικοί μετατροπείς DC για την ενσωμάτωση ανεμογεννήτριων, φωτοβολταϊκών και συστημάτων αποθήκευσης.

• Πλευρά μεταφοράς: Διαστημικοί μετατροπείς DC μεσούνται και υψηλούς ισχύων, ευέλικτα συστήματα διασύνδεσης DC.

• Πλευρά κατανέμον: Ευέλικτες μονάδες διασύνδεσης μεσούνται και χαμηλούς ισχύων, ευέλικτοι μετατροπείς διανομής πολυεπίπεδων ενεργειακών συσκευών (PET), μετατροπείς DC για την ηλεκτροκίνηση μεταφορών.

• Πλευρά κατανάλωσης: Διαστημικές πηγές ενέργειας για την παραγωγή υδρογόνου/αλουμινίου, συστήματα άμεσης φόρτισης, άμεσες πηγές ενέργειας για κέντρα δεδομένων.

(1) Τροχοποίηση σιδηροδρομικών μεταφορών — 25kV Τροχοποίηση PETT

Τα συστήματα μετατροπέα βασισμένα σε SST είναι βασικό εξοπλισμός για την κατασκευή των επόμενων γενεών δικτύων ενέργειας.

Κύριες τεχνολογικές προόδους:

• Τεχνολογίες μετατροπής υψηλής απομόνωσης υψηλής συχνότητας και μετατροπείς υψηλής ισχύος υψηλής συχνότητας

• Υψηλή ισχύ (AC25kV άμεση σύνδεση) και τεχνολογία υψηλής απομόνωσης σε συμπαγή σχεδιασμό (αντοχή σε ένταση: 85kV/1λεπ.)

• Αντοχή σε ισχυρές συγκρούσεις και ταλαντώσεις, αποτελεσματική ρευστή ψύξη

• Τοπολογίες και τεχνικές μετατροπής υψηλής συχνότητας και αποδοτικότητας, ρύθμιση με μοντουλάτηση υψηλής συχνότητας με λεία μεταβολή

Αποτελέσματα εφαρμογής:

• Εγκαταστάθηκε και δοκιμάστηκε σε EMU 140 km/h το 2020, εξαγωγή DC1800V

• Ρυθμισμένη αποδοτικότητα 96,7% (2% υψηλότερη από υπάρχοντα συστήματα), 20% αύξηση της πυκνότητας ισχύος

• Πλήρης έλεγχος της πλευράς δικτύου επιτρέπει ενεργό φιλτράρισμα, αντιστάθμιση ανενεργής ισχύος, μηδενικό ρεύμα επιβλάβειας και μηδενικές απώλειες ετοιμότητας

• Πρώτο παγκόσμιο προϊόν 25kV-SST που επιτύχει δυναμική δοκιμή σε οχήματα

(2) Ενεργοποίηση των μεταφορών στην πόλη — Πολυπόρτη ενεργειακή ροτέρ για συστήματα μετρό

Βασικό σχεδιασμό:
Τεσσαράπορτη δομή απομονωμένη που υποστηρίζει την τροχοποίηση, βοηθητική ενέργεια, αποθήκευση ενέργειας και ολοκλήρωση PV.

Κύριες τεχνολογίες:

• Τοπολογία πλήρους γέφυρας LLC δύο επιπέδων με βάση IGBTs

• Τοπολογία DAB με βάση SiC με σειριακό-παράλληλο σύνδεσμο DC

• Τεχνολογία μαλακής μετατροπής για συσκευές ισχύος (αποδοτικότητα κλάδου ≥98,5%)

• Κοινός 12-πυλώνας μετατροπέας συνδεδεμένος στο AC δίκτυο, εξαλείφει τα κυκλοφορικά ρεύματα όταν συνδέεται παράλληλα με ολοκληρωτικούς ορθογωνικούς

Πλεονεκτήματα εφαρμογής:

• Εξαλείφει τους μαζικούς μετατροπείς αποκατάστασης συχνότητας γραμμής· 26% μικρότερη επιφάνεια, μειώνοντας τον χώρο εγκατάστασης και το κόστος κατασκευής

• Χωρίς απώλειες χωρίς φορτίο του μετατροπέα, επιτρέποντας την επαναδιάρθρωση υπάρχουσας γραμμής

• Ολοκληρώνει την ορθογωνική, την ενεργειακή αναδιανομή, την αντιστάθμιση ανενεργής ισχύος και την φιλτράριση αρμονικών για ακριβή έλεγχο ροής ενέργειας σε πολλαπλές πόρτες

(3) Φόρτιση & Αλλαγή μπαταρίας — 10kV Άμεση σύνδεση SST για φόρτιση ηλεκτρικών οχημάτων

Διάταξη συστήματος:

• Άμεση σύνδεση 10kV μεσούνται, 1MVA ισχύ: 1 μόνιμη μονάδα φόρτισης + 2 μονάδες δικτύου με κοινή λεωφορία

• Διαμορφωμένη με 300kW υπερταχεία φόρτιση και έξι 120kW γρήγορες φορτιστές· συμβατή με ολοκλήρωση PV-αποθήκευσης και σύνδεση μεσούνται

Βασικές λειτουργίες:

• Ολοκληρώνει τους μετατροπείς και τις μονάδες φόρτισης· ευρεία διαφορά ρύθμισης τάσης επιτρέπει άμεση φόρτιση, αποδοτικότητα συστήματος ≥97% (ακρότητα 98,3%)

• Παρέχει υποστήριξη δικτύου και διαχείριση ποιότητας ενέργειας, επιτρέποντας διαδικασίες V2G (vehicle-to-grid) και G2V (grid-to-vehicle)

(4) Εφοδιασμός ενέργειας πάρκου — Ενεργειακός ροτέρ χαμηλών εκπομπών (ολοκλήρωση PV-αποθήκευσης-φόρτισης)

Αρχιτεκτονική συστήματος:
Ενεργειακός ροτέρ 10kV άμεσης σύνδεσης με βάση SST, με πόρτες AC10kV και DC750V, με αποθήκευση μπαταρίας, διαστημικά διασυνδέσμια φόρτισης και συσκευές προστασίας DC στην πλευρά εξαγωγής.

Βασική διάταξη:
Κάμπινα 315kW SST, 976,12kWp PV, 0,5MW/1,3MWh αποθήκευση, 10 σταθμοί φόρτισης DC.

Αξία εφαρμογής:

• Μειώνει το κόστος ηλεκτρικής ενέργειας μέσω της παραγωγής PV και της αποθήκευσης ενέργειας για την εξουδετέρωση κορυφαίων κρουσμάτων

• Μειώνει τη ζήτηση χωρητικότητας σταθμού, αμβλύνει την επίδραση στο δίκτυο και παρέχει εξαιρετική επεκτασιμότητα

• Η συνδυασμένη λειτουργία "solid-state DC circuit breaker + disconnect switch" στην πλευρά εξόδου εξασφαλίζει τον αποκλεισμό παραπομπής για συστήματα αποθήκευσης και φόρτισης

(5) Ένταξη Ανανεώσιμης Ενέργειας — Διαδραστής Ενέργειας DC/DC για PV-σε-Υδρογόνο

Βασικά Παράμετροι:

• Μετατροπέας DC/DC 5MW με είσοδο DC800–1500V και εξόδο DC0–850V, συνδεδεμένος με την σύνδεση του υδρογονοποιητή

• Χωρητικότητα ενός κιβωτίου: 3/6MVA, επεκτάσιμη από 3-20MVA; τάση εξόδου προσαρμοστική σε DC0–1300V/2000V

Τεχνικά Πλεονεκτήματα:

• Μειώνει τις φάσεις μετατροπής σε σύγκριση με τη μετάδοση AC; συνολική απόδοση 96%–98%

• Υψηλοσυχνότητα μετατροπείς DC με ευέλικτες σειριακές-παράλληλες τοπολογίες, κατάλληλοι για PV, αποθήκευση, ρυμούλκηση, παραγωγή υδρογόνου/αλουμινίου

• Πλατφόρμα μετατροπής μεταβλητής δομής, προσαρμοσμένη σε διάφορες βιομηχανικές ανάγκες δικτύων DC

(6) Βελτιστοποίηση Δικτύου Διανομής

Συσκευή Ευέλικτης Σύνδεσης Μεσαίας και Χαμηλής Τάσης:

• Επιλύει την ανισορροπία φορτίου, την αύξηση της διανεμημένης PV, την επέκταση φορτιστών ηλεκτρικών οχημάτων και την ενίσχυση της αξιοπιστίας

• Κανονική λειτουργία: ασύγχρονη σύνδεση δικτύου με ελεγχό ενεργής/ανενεργής ροής ενέργειας, βελτιωμένη ένταξη ανανεώσιμων πηγών και απομόνωση ποιότητας ενέργειας

• Σε περίπτωση σφάλματος: γρήγορη απομόνωση και αυτόματη μετατροπή για πρόληψη διακοπών

Σύστημα Αποθήκευσης Ενέργειας 10kV Προσεκτικής Σύνδεσης:

• Η σύνδεση με μεσαία/υψηλή τάση μειώνει τις απώλειες στις γραμμές

• Διπλή μετατροπή επιτρέπει ευρεία ρύθμιση τάσης

• Μετατροπέας PC και σύστημα μπαταριών μεταβλητής δομής

• Πιο ευέλικτη χωρητικότητα σε σύγκριση με την τοπολογία cascaded H-bridge, εξασφαλίζοντας την ασφάλεια μπαταριών και τον έλεγχο ροής ενέργειας σε ολόκληρη την αλυσίδα

(7) Σύνδεση Δικτύου στην Πλευρά Παραγωγής — Νέα Προσεκτική Σύνδεση 10kV Φωτοβολταϊκής Παραγωγής

Τεχνικά Χαρακτηριστικά:

• Υψηλοσυχνότητα απομόνωσης + κύρια τοπολογία cascaded CHB

• Χωρητικότητα: N×315kVA (επεκτάσιμη), εξόδος συμβατός με συστήματα 1500V, απόδοση >98.3%

Βασικά Πλεονεκτήματα:

• Προσεκτική σύνδεση μεσαίας τάσης με μετατροπέα DC-DC που εκτελεί MPPT (Maximum Power Point Tracking) και απομόνωση/ρύθμιση τάσης

• Απλοποιημένη διπλή αρχιτεκτονική, υψηλή απόδοση; απαντά άμεσα στις απαιτήσεις του δικτύου σε επίπεδο 10kV

• Εφαρμόσιμο σε βιομηχανικά, εμπορικά και αγροτικά σενάρια διανεμημένης PV

(8) Πλευρά Φορτίου — Εφοδιασμός Ενέργειας Κέντρων Δεδομένων Με Βάση SST

Λύση Προσεκτικής Σύνδεσης 10kV:

• Ισχύ 2.5MW (315kW × 8), συστημική απόδοση 98.3%, χρησιμοποιώντας μετατροπή με υψηλή συχνότητα απομόνωσης

• Κύκλος κατανομής 400VDC στην πλευρά DC

• Πλήρης έλεγχος PWM επιτυγχάνει παράγοντα δύναμης >0.99 στην πλευρά δικτύου, αρμονικά <3%

Μέλλον

Στο κέντρο των δικτύων κατανομής AC/DC, επεκτείνοντας στις ανανεώσιμες πηγές, μεταφορά, εφοδιασμό, διαχείριση ενέργειας και προστασία από σφάλματα, τα SST επιτρέπουν μια ολοκληρωμένη συστημική λύση που περιλαμβάνει:

• Υποστήριξη AC/DC

• Ολοκλήρωση πηγής-δικτύου-φορτίου-αποθήκευσης

• Βελτιστοποιημένη διαχείριση ενέργειας και προώθηση ροής ενέργειας
  Υποστηρίζοντας την κατασκευή των επόμενης γενιάς συστημάτων ενέργειας.

III. Προκλήσεις Εφαρμογής και Συζήτηση

(1) Πρόκληση Συμβατότητας Προστασίας Συνδέσεων
Απαιτείται έρευνα για τη συμβατότητα μεταξύ των μετατροπέων ηλεκτρονικής ενέργειας και των παραδοσιακών συστημάτων κατανομής, ειδικά για σφάλματα σύντομης σύνδεσης, συνδεδεμένης στο έδαφος και ανοιχτής σύνδεσης. Πρέπει να καθοριστούν σαφείς στρατηγικές ελέγχου κατά τη διάρκεια της διέλευσης σφαλμάτων και μηχανισμοί συντονισμού για την προστασία των συνδέσεων.

(2) Προκλήσεις Ολοκλήρωσης Διαχείρισης, Παρακολούθησης και Προστασίας
Η ευρεία αποδοχή νέων εξοπλισμών ηλεκτρονικής ενέργειας θέτει προβλήματα προσαρμογής στη διαχείριση και παρακολούθηση, απαιτούμενες λύσεις για τρία βασικά ανάγκες:

• • Κανόνες Διανομής & Μηχανισμοί Αγοράς: Ο παραδοσιακός λογισμός «η πηγή ακολουθεί τη ζήτηση» δεν μπορεί να φιλοξενήσει δικτυακές αλληλεπιδράσεις «ζήτηση-πηγή-δίκτυο». Πρέπει να αναπτυχθούν μηχανισμοί αγοράς για πολυεπιδικτυακό ρεύμα.

  • Τυποποίηση & Διαλειτουργικότητα: Οι διάφορες πρωτόκολλα διασυνδέσεων συσκευών οδηγούν σε κακή διαλειτουργικότητα μεταξύ εφοδιαστών. Πρέπει να προωθηθούν τυποποιημένα πρωτόκολλα επικοινωνίας και σύνολα εντολών ελέγχου.

  • Συντονισμένη Διανομή Διαπεριφερειακά: Η ευέλικτη διασύνδεση διαλύει τα παραδοσιακά σύνορα ζωνών. Πρέπει να εγκαθιδρυθούν πλαίσια ενιαίας κατανομής ευθυνών, κοινής αντιμετώπισης αποθεμάτων και συντονισμένης διανομής διαπεριφερειακά.

  Αυτές οι προκλήσεις απαιτούν ενιαίους πρότυπους και μηχανισμούς ελέγχου εκτέλεσης για την επίλυσή τους.