تکنالوژی SST: تحلیل کامل سناریوها در تولید، انتقال، توزیع و مصرف برق

I. پیش‌زمینه تحقیق

نیاز به تحول سیستم برق

تغییرات در ساختار انرژی نیازهای بالاتری را بر سیستم‌های برق اعمال می‌کند. سیستم‌های برق سنتی در حال تغییر به سمت سیستم‌های برق نسل جدید هستند، با تفاوت‌های اصلی بین آنها به شرح زیر است:

Ⅱ. سناریوهای کاربرد اصلی ترانسفورماتورهای جامد (SST)

در زمینه سیستمهای نوین برق، حمایت فعال، تنظیم ادغام شبکه، اتصال انعطاف پذیر و تعامل عرضه-طلبی به عنوان نیازهای کلیدی برای تکمیل انرژی در زمان و مکان شده است. SSTها در تمام مراحل - تولید، انتقال، توزیع و مصرف - نفوذ دارند با کاربردهای خاص به شرح زیر:

• سوی تولید: تبدیل‌کننده‌های شبکه‌ای مستقیم متصل، تجهیزات شکل‌دهنده شبکه، ترانسفورماتورهای DC متوسط ولتاژ برای ادغام باد، خورشید و ذخیره‌سازی.

• سوی انتقال: ترانسفورماتورهای توزیع DC متوسط و بالا ولتاژ، دستگاههای اتصال DC انعطاف‌پذیر.

• سوی توزیع: واحد اتصال انعطاف‌پذیر متوسط و کم ولتاژ، ترانسفورماتورهای الکترونیکی قدرت (PET) انعطاف‌پذیر، ترانسفورماتورهای DC برای حمل و نقل برقی.

• سوی مصرف: تأمین برق DC برای تولید هیدروژن/آلومینیوم، سیستم‌های شارژ مستقیم، منابع برق مرکزهای داده مستقیم.

(1) جرثقیل ریلی — PETT 25kV

سیستمهای تبدیل‌کننده بر پایه SST ابزارهای اصلی برای ساخت شبکه‌های برق نسل بعدی هستند.

پیشرفت‌های فنی کلیدی:

• تبدیل توپولوژیکی با فرکانس بالا و تکنولوژی ترانسفورماتورهای قدرت بالا با فرکانس بالا

• ولتاژ بالا (AC25kV مستقیم) و تکنولوژی عایق‌بندی بالا تحت طراحی فشرده (مقاومت ولتاژ: 85kV/1 دقیقه)

• سازگاری با محیطهای ضربه‌ای و لرزشی قوی، خنک‌سازی مؤثر با تغییر فاز

• توپولوژی‌های و روش‌های راندمانی تبدیل با فرکانس بالا، کنترل مدولاسیون با فرکانس بالا با تغییر صاف

نتایج کاربرد:

• نصب و آزمایش روی EMU 140 کیلومتر در ساعت در سال 2020، خروجی DC1800V

• کارایی اسمی 96.7% (2٪ بالاتر از سیستمهای موجود)، 20٪ افزایش در چگالی قدرت

• کنترل کامل سمت شبکه امکان فیلتراسیون فعال، جبران قدرت واکنشی، جریان مغناطیسی صفر و عدم وجود تلفات پشتیبانی را فراهم می‌کند

• محصول اولین 25kV-SST جهانی که آزمون دینامیکی ماشین‌بار را به دست آورده است

(2) تأمین برق شهری — مسیردهی انرژی چندمنفذی برای سیستم‌های مترو

طراحی اصلی:
ساختار جداشدی چهارمنفذی که حمایت از قدرت جرثقیل، قدرت کمکی، ذخیره‌سازی انرژی و ادغام PV را امکان‌پذیر می‌کند.

تکنولوژی‌های کلیدی:

• توپولوژی مدار LLC دوسطحی بر پایه IGBTs

• توپولوژی مدار DAB بر پایه SiC با پیکربندی سری-موازی DC

• تکنولوژی سوئیچ‌زنی نرم برای دستگاه‌های قدرت (کارایی شاخه ≥98.5%)

• ترانسفورماتور مشترک 12-پالس متصل به شبکه AC، حذف جریان‌های حلقه‌ای در زمان موازی شدن با مستطیلات دیودی

مزایای کاربرد:

• حذف ترانسفورماتورهای بازسازی فرکانس خطی بزرگ؛ 26٪ کوچکتر در اندازه، کاهش فضای نصب و هزینه‌های ساخت

• عدم وجود تلفات بدون بار ترانسفورماتور، امکان به‌روزرسانی خطوط موجود

• یکپارچه‌سازی مستطیل‌سازی، بازخورد انرژی، جبران قدرت واکنشی و فیلتراسیون هارمونیک برای کنترل دقیق جریان قدرت چندمنفذی

(3) شارژ و تعویض باتری — SST مستقیم 10kV برای شارژ خودروهای الکتریکی

پیکربندی سیستم:

• اتصال مستقیم ولتاژ متوسط 10kV، ظرفیت 1MVA: 1 ماژول شارژ مستقیم + 2 ماژول شبکه‌ای مشترک با اتوبوس

• پیکربندی با شارژر سریع 300kW و شش شارژر سریع 120kW؛ سازگار با ادغام PV-ذخیره‌سازی و اتصال شبکه متوسط ولتاژ

وظایف اصلی:

• یکپارچه‌سازی ترانسفورماتور و ماژول‌های شارژ؛ تنظیم ولتاژ در محدوده گسترده امکان شارژ مستقیم را فراهم می‌کند، کارایی سیستم ≥97% (حداکثر 98.3%)

• ارائه حمایت شبکه و مدیریت کیفیت برق، امکان تعامل دوطرفه V2G (خودرو به شبکه) و G2V (شبکه به خودرو)

(4) تأمین برق پارک — مسیردهی انرژی پارک کم‌کربن (یکپارچه‌سازی PV-ذخیره‌سازی-شارژ)

معماری سیستم:
مسیردهی انرژی مستقیم 10kV بر پایه SST، شامل پورتهای AC10kV و DC750V، با ذخیره‌سازی باتری، رابط‌های شارژ DC و دستگاه‌های محافظت DC در سمت خروجی.

پیکربندی اصلی:
صندوق SST 315kW، 976.12kWp PV، ذخیره‌سازی انرژی 0.5MW/1.3MWh، 10 ایستگاه شارژ DC.

ارزش کاربردی:

• با تولید انرژی فتوولتائیک و ذخیره‌سازی انرژی، هزینه‌های برق را از طریق کاهش نوسانات قیمت کاهش می‌دهد

• نیاز به ظرفیت ایستگاه را کاهش می‌دهد، تأثیر بر شبکه را معتدل می‌کند و مقیاس‌پذیری عالی ارائه می‌دهد

• ترکیب "قطعه‌گیر مستقیم جریان مستقیم حالت جامد + کلید جداکننده" در سمت خروجی اطمینان از تفکیک خطای انباره‌ها و ایستگاه‌های شارژ را فراهم می‌کند

(5) یکپارچه‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر — مسیریاب انرژی DC/DC برای تبدیل فتوولتائیک به هیدروژن

پارامترهای اصلی:

• تبدیل‌کننده DC/DC 5 مگاوات با جداسازی: ورودی DC800–1500V، خروجی DC0–850V، متصل به باربر هیدروژن الکترولیز

• ظرفیت کابین تک: 3/6MVA، مقیاس‌پذیر از 3–20MVA؛ ولتاژ خروجی قابل تنظیم به DC0–1300V/2000V

مزایای فنی:

• تعداد مراحل تبدیل را نسبت به انتقال AC کاهش می‌دهد؛ کارایی کلی 96%–98%

• تبدیل‌کننده‌های DC با جداسازی فرکانس بالا با توپولوژی‌های سری-موازی انعطاف‌پذیر، مناسب برای فتوولتائیک، ذخیره‌سازی، توان ریلی، تولید هیدروژن/آلومینیوم

• پلتفرم پیکربندی‌پذیر مدولار برای نیازهای مختلف شبکه‌های DC صنعتی

(6) بهینه‌سازی شبکه توزیع

دستگاه اتصال انعطاف‌پذیر ولتاژ متوسط و کم:

• به عدم تعادل بار، افزایش فتوولتائیک توزیع‌شده، گسترش شارژرهای خودروهای الکتریکی و بهبود قابلیت اطمینان پاسخ می‌دهد

• عملکرد معمول: اتصال غیرهمزمان شبکه با کنترل جریان توان فعال/غیرفعال، بهبود یکپارچه‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر و تفکیک کیفیت توان

• در شرایط خرابی: تفکیک سریع و تغییر خودکار برای جلوگیری از قطعی

سیستم ذخیره‌سازی انرژی متصل مستقیم 10kV:

• اتصال به شبکه ولتاژ متوسط/بالا کاهش زیان‌های خط را فراهم می‌کند

• تبدیل دو مرحله‌ای امکان تنظیم ولتاژ در محدوده گسترده را فراهم می‌کند

• پیکربندی مدولار PCS و باتری

• ظرفیت انعطاف‌پذیر‌تر نسبت به توپولوژی پل H متصل‌شده، اطمینان از ایمنی عایق باتری و کنترل جریان توان تمام‌زنجیره را فراهم می‌کند

(7) اتصال شبکه در سمت تولید — رابط شبکه جدید فتوولتائیک متصل مستقیم 10kV

ویژگی‌های فنی:

• جداکننده فرکانس بالا + توپولوژی مدار اصلی CHB متصل‌شده

• ظرفیت: N×315kVA (مقیاس‌پذیر)، خروجی سازگار با سیستم‌های 1500V، کارایی >98.3%

مزایای اصلی:

• اتصال مستقیم ولتاژ متوسط با تبدیل‌کننده DC-DC جداکننده انجام MPP (تعقیب نقطه توان بیشینه) و جداکننده/تنظیم‌کننده ولتاژ

• معماری دو مرحله‌ای ساده، بسیار کارآمد؛ پاسخ مستقیم به نیازهای شبکه در سطح 10kV

• قابل استفاده در سناریوهای توزیع‌شده فتوولتائیک صنعتی، تجاری و روستایی

(8) سمت بار — تأمین توان مرکز داده بر اساس SST

راه‌حل متصل مستقیم 10kV:

• توان 2.5 مگاوات (315kW × 8)، کارایی سیستم 98.3%，使用波斯-阿拉伯字母书写体进行翻译输出：

  با تولید انرژی فتوولتائیک و ذخیره‌سازی انرژی، هزینه‌های برق را از طریق کاهش نوسانات قیمت کاهش می‌دهد

• نیاز به ظرفیت ایستگاه را کاهش می‌دهد، تأثیر بر شبکه را معتدل می‌کند و مقیاس‌پذیری عالی ارائه می‌دهد

• ترکیب "قطعه‌گیر مستقیم جریان مستقیم حالت جامد + کلید جداکننده" در سمت خروجی اطمینان از تفکیک خطای انباره‌ها و ایستگاه‌های شارژ را فراهم می‌کند

(5) یکپارچه‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر — مسیریاب انرژی DC/DC برای تبدیل فتوولتائیک به هیدروژن

پارامترهای اصلی:

• تبدیل‌کننده DC/DC 5 مگاوات با جداسازی: ورودی DC800–1500V، خروجی DC0–850V، متصل به باربر هیدروژن الکترولیز

• ظرفیت کابین تک: 3/6MVA، مقیاس‌پذیر از 3–20MVA؛ ولتاژ خروجی قابل تنظیم به DC0–1300V/2000V

مزایای فنی:

• تعداد مراحل تبدیل را نسبت به انتقال AC کاهش می‌دهد؛ کارایی کلی 96%–98%

• تبدیل‌کننده‌های DC با جداسازی فرکانس بالا با توپولوژی‌های سری-موازی انعطاف‌پذیر، مناسب برای فتوولتائیک، ذخیره‌سازی، توان ریلی، تولید هیدروژن/آلومینیوم

• پلتفرم پیکربندی‌پذیر مدولار برای نیازهای مختلف شبکه‌های DC صنعتی

(6) بهینه‌سازی شبکه توزیع

دستگاه اتصال انعطاف‌پذیر ولتاژ متوسط و کم:

• به عدم تعادل بار، افزایش فتوولتائیک توزیع‌شده، گسترش شارژرهای خودروهای الکتریکی و بهبود قابلیت اطمینان پاسخ می‌دهد

• عملکرد معمول: اتصال غیرهمزمان شبکه با کنترل جریان توان فعال/غیرفعال، بهبود یکپارچه‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر و تفکیک کیفیت توان

• در شرایط خرابی: تفکیک سریع و تغییر خودکار برای جلوگیری از قطعی

سیستم ذخیره‌سازی انرژی متصل مستقیم 10kV:

• اتصال به شبکه ولتاژ متوسط/بالا کاهش زیان‌های خط را فراهم می‌کند

• تبدیل دو مرحله‌ای امکان تنظیم ولتاژ در محدوده گسترده را فراهم می‌کند

• پیکربندی مدولار PCS و باتری

• ظرفیت انعطاف‌پذیر‌تر نسبت به توپولوژی پل H متصل‌شده، اطمینان از ایمنی عایق باتری و کنترل جریان توان تمام‌زنجیره را فراهم می‌کند

(7) اتصال شبکه در سمت تولید — رابط شبکه جدید فتوولتائیک متصل مستقیم 10kV

ویژگی‌های فنی:

• جداکننده فرکانس بالا + توپولوژی مدار اصلی CHB متصل‌شده

• ظرفیت: N×315kVA (مقیاس‌پذیر)، خروجی سازگار با سیستم‌های 1500V، کارایی >98.3%

مزایای اصلی:

• اتصال مستقیم ولتاژ متوسط با تبدیل‌کننده DC-DC جداکننده انجام MPP (تعقیب نقطه توان بیشینه) و جداکننده/تنظیم‌کننده ولتاژ

• معماری دو مرحله‌ای ساده، بسیار کارآمد؛ پاسخ مستقیم به نیازهای شبکه در سطح 10kV

• قابل استفاده در سناریوهای توزیع‌شده فتوولتائیک صنعتی، تجاری و روستایی

(8) سمت بار — تأمین توان مرکز داده بر اساس SST

راه‌حل متصل مستقیم 10kV:

• توان 2.5 مگاوات (315kW × 8)، کارایی سیستم 98.3%، استفاده از تبدیل‌کننده جداکننده فرکانس بالا

• شبکه حلقه‌ای DC 400V در سمت DC

• کنترل PWM کامل امکان میزان توان فعال شبکه >0.99 و هارمونیک‌های <3% را فراهم می‌کند

آینده

با تمرکز بر شبکه‌های توزیع AC/DC، گسترش به انرژی‌های تجدیدپذیر، حمل و نقل، تأمین توان، مدیریت انرژی و حفاظت از خطا، SST‌ها راه‌حل سیستم یکپارچه شامل:

• تأمین توان هیبریدی AC/DC

• یکپارچه‌سازی منبع-شبکه-بار-ذخیره‌سازی

• مدیریت انرژی بهینه و کنترل جریان توان
  پشتیبانی از ساخت سیستم‌های توان نسل بعدی.

III. چالش‌های کاربردی و بحث

(1) چالش سازگاری محافظ‌های رله‌ای
نیاز به تحقیق در سازگاری بین ترانسفورماتورهای الکترونیکی توان و سیستم‌های توزیع سنتی، به ویژه برای خطاهای کوتاه‌مداری، زمین‌شدن و بازشدن. باید استراتژی‌های کنترل واضح در حین عبور از خطا و مکانیزم‌های هماهنگی محافظ‌های رله‌ای تعریف شوند.

(2) چالش‌های یکپارچه‌سازی کنترل، مدیریت و نظارت
گسترش گسترده تجهیزات الکترونیکی توان جدید مسائل سازگاری در کنترل و نظارت را مطرح می‌کند، نیاز به راه‌حل‌های سه نیاز اصلی:

• قوانین اعزام و مکانیسم‌های بازار: منطق سنتی "منبع پیرو بار" نمی‌تواند تعاملات دوطرفه "بار-منبع-شبکه" را در بر بگیرد. باید مکانیسم‌های بازار جریان قدرت چندجهته توسعه یابند.

• استانداردسازی و همکاری‌پذیری: پروتکل‌های رابط مختلف دستگاه‌ها منجر به همکاری‌پذیری ضعیف بین تولیدکنندگان می‌شود. باید پروتکل‌های ارتباطی استاندارد و مجموعه دستورالعمل‌های کنترل ترویج یابند.

• اعزام هماهنگ میان مناطق: اتصال انعطاف‌پذیر مرزهای تقسیمات سنتی را شکست می‌دهد. باید چارچوب‌های مسئولیت واحد، به اشتراک گذاری ذخایر و اعزام هماهنگ میان مناطق ایجاد شوند.

این چالش‌ها نیازمند استانداردهای متحد و مکانیزم‌های اجرایی نظارت بر اجرایی شدن هستند.