Tecnología SST: Análisis de Escenarios Completos en Generación Transmisión Distribución y Consumo de Energía

I. Antecedentes de la Investigación

Necesidades de Transformación del Sistema Eléctrico

Los cambios en la estructura energética están imponiendo mayores demandas a los sistemas eléctricos. Los sistemas eléctricos tradicionales están transitando hacia sistemas eléctricos de nueva generación, con las diferencias fundamentales entre ellos descritas a continuación:

Ⅱ.Escenarios de Aplicación Central de los Transformadores de Estado Sólido (SST)

Bajo el telón de fondo de los nuevos sistemas de energía, el soporte activo, la regulación de integración en la red, la interconexión flexible y la interacción entre oferta y demanda se han convertido en requisitos clave para la complementariedad energética espacio-temporal. Los SSTs se extienden a todas las etapas—generación, transmisión, distribución y consumo—con aplicaciones específicas como las siguientes:

• Lado de Generación:Convertidores conectados directamente a la red, equipos formadores de red, transformadores de corriente continua de media tensión para la integración de viento, solar y almacenamiento.

• Lado de Transmisión:Transformadores de distribución de corriente continua de media y alta tensión, dispositivos de interconexión DC flexible.

• Lado de Distribución:Unidades de interconexión flexible de media y baja tensión, transformadores electrónicos de potencia (PET) flexibles, transformadores de corriente continua para el transporte eléctrico.

• Lado de Consumo:Fuentes de alimentación de corriente continua para la producción de hidrógeno/aluminio, sistemas de carga conectados directamente, fuentes de alimentación de centros de datos conectadas directamente.

(1) Tracción de Transporte Ferroviario — PETT de 25kV

Los sistemas convertidores basados en SST son equipos centrales para la construcción de redes de energía de próxima generación.

Avances Técnicos Clave:

• Conversión de topología de alta frecuencia y alta aislación, y tecnologías de transformadores de alta potencia y alta frecuencia

• Alta tensión (conexión directa AC25kV) y tecnología de alto aislamiento bajo un diseño compacto (tensión de resistencia: 85kV/1min)

• Adaptación a entornos de fuerte impacto y vibración, enfriamiento eficiente por cambio de fase

• Topologías de conversión de alta frecuencia y alta eficiencia y técnicas de conducción, control de modulación de alta frecuencia con conmutación suave

Resultados de Aplicación:

• Instalado y probado en un EMU de 140 km/h en 2020, produciendo DC1800V

• Eficiencia nominal del 96.7% (2% más que los sistemas existentes), aumento del 20% en la densidad de potencia

• Control total del lado de la red permite filtrado activo, compensación de potencia reactiva, corriente de inrush magnético cero y sin pérdidas en espera

• Primer producto 25kV-SST del mundo en lograr pruebas dinámicas a bordo de vehículos

(2) Suministro de Energía para el Ferrocarril Urbano — Enrutador de Energía Multi-puerto para Sistemas de Metro

Diseño Central:
Estructura aislada de cuatro puertos que soporta potencia de tracción, potencia auxiliar, almacenamiento de energía e integración de PV.

Tecnologías Clave:

• Topología de circuito LLC de dos niveles basada en IGBTs

• Topología de circuito DAB basada en SiC con configuración de corriente continua en serie-paralelo

• Tecnología de conmutación suave para dispositivos de potencia (eficiencia de rama ≥98.5%)

• Transformador compartido de 12 pulsos conectado a la red AC, eliminando corrientes circulantes cuando se paralela con rectificadores de diodos

Ventajas de Aplicación:

• Elimina transformadores regenerativos de frecuencia de línea voluminosos; huella 26% menor, reduciendo el espacio de instalación y los costos de construcción

• Sin pérdidas en vacío del transformador, permitiendo la modernización de líneas existentes

• Integra rectificación, retroalimentación de energía, compensación reactiva y filtrado armónico para un control preciso del flujo de potencia multi-puerto

(3) Carga y Cambio de Batería — SST de Conexión Directa de 10kV para Carga de Vehículos Eléctricos

Configuración del Sistema:

• Conexión directa de media tensión de 10kV, capacidad de 1MVA: 1 módulo de carga directa + 2 módulos de red compartida

• Configurado con carga ultra-rápida de 300kW y seis cargadores rápidos de 120kW; compatible con la integración de PV-almacenamiento y conexión a la red de media tensión

Funciones Centrales:

• Integra transformador y módulos de carga; regulación de voltaje de amplio rango permite carga directa, eficiencia del sistema ≥97% (pico 98.3%)

• Proporciona soporte a la red y gestión de la calidad de la energía, permitiendo interacción bidireccional V2G (vehículo a red) y G2V (red a vehículo)

(4) Suministro de Energía para Parques — Enrutador de Energía de Parque de Baja Emisión (Integración de PV-Almacenamiento-Carga)

Arquitectura del Sistema:
Enrutador de energía de conexión directa de 10kV basado en SST, con puertos AC10kV y DC750V, con almacenamiento de baterías, interfaces de carga DC y dispositivos de protección DC en el lado de salida.

Configuración Central:
Gabinete SST de 315kW, 976.12kWp de PV, almacenamiento de energía de 0.5MW/1.3MWh, 10 estaciones de carga DC.

Valor de Aplicación:

• Reduce los costos de electricidad a través de la generación fotovoltaica y el arbitraje de ahorro en horas punta mediante almacenamiento de energía

• Reduce la demanda de capacidad de la estación, amortigua el impacto en la red y ofrece excelente escalabilidad

• La combinación del lado de salida "interruptor de circuito directo de estado sólido + interruptor de desconexión" garantiza el aislamiento de fallas para estaciones de almacenamiento y carga

(5) Integración de Energía Renovable — Enrutador de Energía DC/DC para PV a Hidrógeno

Parámetros principales:

• Convertidor DC/DC aislado de 5MW: entrada DC800–1500V, salida DC0–850V, conectado a la barra colectora del electrólisis de hidrógeno

• Capacidad de un gabinete: 3/6MVA, escalable de 3–20MVA; voltaje de salida adaptable a DC0–1300V/2000V

Ventajas técnicas:

• Reduce las etapas de conversión en comparación con la transmisión AC; eficiencia general 96%–98%

• Transformadores DC aislados de alta frecuencia con topologías en serie-paralelo flexibles, adecuados para PV, almacenamiento, alimentación ferroviaria, producción de hidrógeno/aluminio

• Plataforma modular y configurable adaptada a diversas necesidades específicas de la industria de redes DC

(6) Optimización de la Red de Distribución

Dispositivo de Interconexión Flexible de Media y Baja Tensión:

• Aborda el desequilibrio de carga, el aumento de la PV distribuida, la expansión de los cargadores EV y la mejora de la confiabilidad

• Operación normal: interconexión asincrónica de la red con control de flujo de potencia activa/reactiva, mejor integración de renovables y aislamiento de calidad de potencia

• Condición de falla: aislamiento rápido y conmutación automática para prevenir cortes de suministro

Sistema de Almacenamiento de Energía Directamente Conectado a 10kV:

• Conexión a la red de media/alta tensión reduce las pérdidas en línea

• Conversión de dos etapas permite regulación de voltaje en amplio rango

• Configuración modular de PCS y baterías

• Mayor flexibilidad de capacidad en comparación con la topología de puente H en cascada, asegurando la seguridad de aislamiento de la batería y el control de flujo de potencia en toda la cadena

(7) Conexión a la Red en el Lado de Generación — Nueva Interfaz de Red Fotovoltaica Directamente Conectada a 10kV

Características técnicas:

• Aislamiento de alta frecuencia + topología de circuito principal CHB en cascada

• Capacidad: N×315kVA (escalable), salida compatible con sistemas de 1500V, eficiencia >98.3%

Ventajas principales:

• Conexión directa de media tensión con DC-DC aislado realizando seguimiento al punto de máxima potencia (MPPT) y regulación de aislamiento/voltaje

• Arquitectura simplificada de dos etapas, altamente eficiente; responde directamente a las demandas de la red a nivel de 10kV

• Aplicable a escenarios de PV distribuido industrial, comercial y rural

(8) Lado de Carga — Suministro Eléctrico de Centros de Datos Basado en SST

Solución de Conexión Directa a 10kV:

• Potencia de 2.5MW (315kW × 8), eficiencia del sistema 98.3%, utilizando conversión aislada de alta frecuencia

• Red anular DC de 400VDC en el lado DC

• Control PWM completo logra factor de potencia del lado de la red >0.99, armónicos <3%

Perspectiva futura

Centrada en redes de distribución AC/DC, extendiéndose a renovables, transporte, suministro de energía, gestión de energía y protección contra fallas, las SSTs permiten una solución de sistema integrada que abarca:

• Suministro híbrido de energía AC/DC

• Integración fuente-red-carga-almacenamiento

• Gestión de energía optimizada y despacho de flujo de potencia
  Soportando la construcción de sistemas de energía de próxima generación.

III. Desafíos de Aplicación y Discusión

(1) Desafío de Compatibilidad de Protección Relé
Se necesita investigación sobre la compatibilidad entre transformadores electrónicos de potencia y sistemas de distribución tradicionales, especialmente para fallas de cortocircuito, a tierra y circuito abierto. Se deben establecer estrategias de control claras durante el paso por falla y mecanismos de coordinación para la protección relé.

(2) Desafíos de Integración de Despacho, Gestión y Monitoreo
La adopción generalizada de nuevo equipo electrónico de potencia plantea problemas de adaptación en el despacho y el monitoreo, requiriendo soluciones para tres necesidades centrales:

• • Reglas de despacho y mecanismos de mercado: La lógica tradicional de "la fuente sigue a la carga" no puede acomodar las interacciones bidireccionales "carga-fuente-red". Se deben desarrollar mecanismos de mercado para flujos de energía multidireccionales.

  • Estandarización e interoperabilidad: Los diversos protocolos de interfaz de dispositivos llevan a una mala interoperabilidad entre proveedores. Es necesario promover protocolos de comunicación estandarizados y conjuntos de comandos de control.

  • Despacho coordinado transregional: La interconexión flexible rompe las fronteras tradicionales de zonificación. Se deben establecer marcos unificados de asignación de responsabilidades, compartición de reservas y despacho coordinado transregional.

  Estos desafíos requieren estándares unificados y mecanismos de ejecución de monitoreo para su resolución.