SST Technology: Kokonaisvaltaisuuden analyysi sähköntuotannossa siirrossa jakelussa ja kulutuksessa

I. Tutkimuksen tausta

Sähköverkostojen muutostarpeet

Energian rakenne muuttuu, mikä asettaa sähköverkoille yhä korkeammat vaatimukset. Perinteiset sähköjärjestelmät siirtyvät uuden sukupolven sähköjärjestelmiksi, ja niiden väliset ydineroja on seuraavat:

Ⅱ. Kovakuormituksen (SST) ydinsovellusalueet

Uusien sähköverkkojen taustalla aktiivinen tuki, verkostointisääntely, joustava yhteys ja tarjonta- ja kysyntävuorovaikutus ovat tulleet keskeisiksi vaatimuksiksi aikalisavaruudelliselle energian täydentävyydelle. SST:t läpäisevät kaikki vaiheet – tuotannon, siirtämisen, jakelun ja kulutuksen – erityissovelluksineen seuraavasti:

• Tuotantopuoli: Suoraan yhdistetty verkkoyhteydessä olevat muunninlaitteet, verkon muodostava laitteisto, keskipotentiaalinen DC-muunnin tuulivoiman, aurinkoenergian ja varastoinnin integrointiin.

• Siirtämispuoli: Keski- ja korkeapotentialiset DC-jakelu-muunninlaitteet, joustavat DC-yhteyslaitteet.

• Jakelupuoli: Keski- ja matalapotentialiset joustavat yhdistelyyksiköt, joustavat jakeluvoimakoneiden elektroniset muunninlaitteet (PET), DC-muunninlaitteet sähköistetylle liikenteelle.

• Kulutuspohjainen: DC-voimalähteet vety-/alumiinivalmistukseen, suoraan yhdistetty latausjärjestelmät, suoraan yhdistetty datakeskuksen voimalähde.

(1) Rautatieliikenteen vetovoima — 25kV vetovoiman PETT

SST-pohjaiset muunninjärjestelmät ovat olennainen laite seuraavan sukupolven sähköverkkojen rakentamisessa.

Olkilaiset teknologiset läpimurrot:

• Korkean eristystason korkeaa taajuutta käyttävä topologiakonversio ja korkeatehoisia korkeaa taajuutta käyttäviä muunninlaitteita

• Korkean potentiaalin (AC25kV:n suora yhteys) ja korkean eristyksen teknologia tiiviissä suunnittelussa (säteilykyky: 85kV/1min)

• Sopeutuminen vahvaan iskuvaimenevaan ja vibraatioympäristöön, tehokas vaiheenmuutosjäähdytys

• Korkeaa taajuutta käyttävät, tehokkaat konversiotopologiat ja ajokirjaimet, korkeaa taajuutta käyttävä modulaatio-ohjaus pehmeällä kytkentällä

Sovellus tulokset:

• Asennettu ja testattu 140 km/h EMU:ssa vuonna 2020, tuottaa DC1800V

• Nominaalinen tehokkuus 96,7 % (2 % enemmän kuin nykyisissä järjestelmissä), 20 % lisää tehotiheyttä

• Täysin ohjattu verkon puolella mahdollistaa aktiivisen suodatuksen, epäsuoran voiman kompensoinnin, nollan magnetisoivan virran ja ei-varastointitappioita

• Maailman ensimmäinen 25kV-SST-tuote, joka on saavuttanut ajoneuvoon asennetun dynaamisen testauksen

(2) Kaupunkiliikenteen sähkövarasto — monipuolinen energiaruutti metroyksiköille

Ytimen suunnittelu:
Neljä-porttin eristetty rakenne, joka tukee vetovoiman, apuenergian, varaston ja PV-integrointia.

Olkilaiset teknologiat:

• IGBT-pohjainen kaksitasoinen kokonaistasoitus LLC-kierrosrakenne

• SiC-pohjainen DAB-kierrosrakenne sarjan-parallelilla DC-konfiguraatiolla

• Pehmäkytkentätekniikka voimakoneille (haaran tehokkuus ≥98,5 %)

• Jaettu 12-pulsseja tukeva muunnin AC-verkossa, poistaa virtaympyrät, kun yhdyskytketään diodeillisten suorituslaitteiden kanssa

Sovellus etuja:

• Poistaa valtavat linjataajuuden uudelleenkäyttömuunninlaitteet; 26 % pienempi pohja-ala, vähentää asennuspaikkaa ja rakennushintoja

• Ei muunninlaitteen tyhjän ladattujen tappioita, mahdollistaa olemassa olevien linjojen päivityksen

• Integroi suoritus, energia palautus, epäsuoran kompensoinnin ja harmonisen suodatuksen tarkalle monipuoliselle voimanvirralle

(3) Lataus ja akkujen vaihto — 10kV:n suora yhteys SST:lle sähköautojen lataukseen

Järjestelmän konfigurointi:

• 10kV:n keskipotentialinen suora yhteys, 1MVA kapasiteetti: 1 suora latausmoduuli + 2 jaetun bussin verkosto-moduulia

• Konfiguroitu 300kW ultra-nopeaan lataukseen ja kuuteen 120kW nopeaan latauslaiteeseen; yhteensopiva PV-varastoinnin integroinnin ja keskipotentialisen verkoston yhteyden kanssa

Ytimeksi määritelty toiminta:

• Integroi muunninlaitteet ja latausmoduulit; laaja-alainen jänniteohjaus mahdollistaa suoran latauksen, järjestelmän tehokkuus ≥97 % (huippu 98,3 %)

• Tarjoaa verkon tukemista ja voimanlaadun hallintaa, mahdollistaa kaksisuuntaisen V2G (ajoneuvo-verkko) ja G2V (verkko-ajoneuvo) -vuorovaikutuksen

(4) Areenoiden sähkövarasto — alhaisen hiilijalanjäljen areena-energiaruutti (PV-varasto-lataus integrointi)

Järjestelmän arkkitehtuuri:
10kV:n suora yhteys-energiaruutti SST-pohjalta, jossa on AC10kV- ja DC750V-portit, akkujen varastointi, DC-latausrajapinnat ja DC-suojalaitteet ulostulo-osiossa.

Ytimeksi määritelty konfigurointi:
315kW SST-hylly, 976,12kWp PV, 0,5MW/1,3MWh varastointi, 10 DC-latauspiste.

Sovellusarvo:

• Vähentää sähkönkustannuksia aurinkosähköntuotannon ja energianvarastoinnin huippujen tasapainottamisen avulla

• Vähentää aseman kapasiteettitarvetta, pehmentää verkon vaikutusta ja tarjoaa erinomaisen skaalautuvuuden

• Jätepuolella oleva "kiinteän tilan DC katkaisija + erottelukatkaisija" -yhdistelmä varmistaa varastointi- ja latausasemien vikaeristyksen

(5) Uusiutuvan energian integrointi — DC/DC energia-reitittimen käyttö aurinkosähköstä vetyyn

Ytimen parametrit:

• 5 MW eristetty DC/DC-muunnin: syöttötaso DC800–1500V, ulostulo DC0–850V, yhdistetty vedytyslyyhteen

• Yhden kabinetin kapasiteetti: 3/6 MVA, skaalautuu 3–20 MVA:sta; ulostulovoltti sopeutettavissa DC0–1300V/2000V

Tekniset etumat:

• Vähentää muuntamisvaiheita verrattuna vaihtojännitteeseen; kokonaisvaikuttavuus 96%–98%

• Korkean taajuuden eristetty DC-muunnin joustavilla sarja-parallel-rakenteilla, sopiva aurinkosähköön, varastointiin, rautatievoimaan, vety- ja alumiinivalmistukseen

• Modulaarinen, konfiguroituva alusta, joka on suunniteltu monipuolisten teollisuuden DC-verkkotarpeiden mukaan

(6) Jakeluverkon optimointi

Sivu- ja pienjännitejä koskeva joustava yhdistämislaitteisto:

• Ratkaistaan kuormituksen epätasapaino, lisääntyvä jakeluverkon aurinkosähkö, sähköautojen latauspisteiden laajentuminen ja luotettavuuden parantaminen

• Normaalitoiminta: asynkroninen verkon yhdistäminen aktiivisen/reactiivisen tehon virtauksen hallinnalla, uusiutuvan energian integrointin parantaminen ja tehonlaadun eristys

• Virhetilanteessa: nopea eristys ja automaattinen siirtyminen estää keskeytyksiä

10 kV suoraan yhdistetty energiavarasto:

• Keskijännite/pienjänniteverkon yhdistäminen vähentää linjahäviöitä

• Kaksivaiheinen muunto mahdollistaa laajan jännitesiirron

• Modulaarinen PCS- ja akkuasettelu

• Joustavampi kapasiteetti verrattuna kaskadeh-bridgen topologiaan, mikä takaa akkujen eristysturvallisuuden ja täydellisen tehonvirtauksen hallinnan

(7) Verkon yhdistäminen tuotantopuolella — 10 kV suoraan yhdistetty aurinkosähköinen uusi verkko-liittymä

Tekniset ominaisuudet:

• Korkean taajuuden eristys + kaskade CHB pääpiiri topologia

• Kapasiteetti: N×315 kVA (skaalautuva), ulostulo yhteensopiva 1500 V järjestelmien kanssa, tehokkuus >98.3%

Ytimekkäät edut:

• Keskijänniteverkon suora yhdistäminen eristettyä DC-DC:n MPPT (Maximum Power Point Tracking) ja eristyksen/jännitesiirron toteuttamiseksi

• Yksinkertaistettu kaksivaiheinen arkkitehtuuri, erittäin tehokas; vastaa suoraan 10 kV:n tason verkon vaatimuksiin

• Soveltuu teollisiin, kauppaan ja maaseutuun jaettuihin aurinkosähkötilanteisiin

(8) Kuormituspuoli — Datakeskuksen sähköhuolto SST-perusteella

10 kV suoraan yhdistetty ratkaisu:

• 2,5 MW teho (315 kW × 8), järjestelmän tehokkuus 98,3%, korkean taajuuden eristetty muunto

• 400 VDC DC rengasverkko DC-puolella

• Täysi PWM-hallinta saavuttaa verkon puolen voimafaktorin >0,99, harmoniset <3%

Tulevaisuuden näkymät

Keskittyen AC/DC-jakeluverkkoihin, ulottuen uusiutuviin energialähteisiin, liikenteeseen, sähköhuoltoon, energianhallintaan ja virheen suojaamiseen, SST:t mahdollistavat integroitun järjestelmäratkaisun, joka kattaa:

• AC/DC-yhdistetty sähköhuolto

• Lähteen, verkon, kuorman ja varaston integraatio

• Optimoitu energianhallinta ja tehonvirtauksen ohjaus
  Tukevat seuraavan sukupolven sähköjärjestelmien rakentamista.

III. Sovellusongelmat ja keskustelu

(1) Suljetun piirin suojauskompatibilitetin haaste
On tarpeen tutkia voimasähkömuuntimien ja perinteisten jakeluverkkojen välisen yhteensopivuuden, erityisesti lyhytsulku-, maan- ja avausvirheiden osalta. On vahvistettava selkeät ohjausstrategiat virheen läpäisyssä ja suljetun piirin suojausmekanismien koordinointi.

(2) Asettelu-, hallinta- ja valvontaintegrointiongelmat
Uusien voimasähkökomponenttien laaja levinneisyys nostaa esiin sopeutumisongelmia asettelussa ja valvonnassa, vaativat kolmen ytimekkään tarpeen ratkaisemista:

• • Asettelusäännöt ja markkinamekanismit: Perinteinen "lähteen seuraamisen" logiikka ei pysty ottamaan huomioon kaksisuuntaisia "kuorma-lähde-verkko" -vuorovaikutuksia. On kehitettävä monisuuntaisia sähkövirran markkinamekanismeja.

  • Standardointi ja yhteentoimivuus: Monipuoliset laitteen rajapinnan protokollat johtavat huonoon yhteentoimivuuteen valmistajien välillä. On edistettävä standardoituja viestintäprotokolleja ja ohjauskomentojoukkoja.

  • Alueiden yli koordinoidtu asettelu: Joustava yhdistäminen rikkoo perinteisiä aluejakoja. On luotava yhtenäiset vastuun jako-, varannosten jakamis- ja alueiden yli koordinoidun asettelun kehykset.

  Nämä haasteet vaativat yhtenäisiä standardeja ja valvontamekanismeja niiden ratkaisemiseksi.