Tecnoloxía SST: Análise de Tódolos Cenarios na Xeración Transmisión Distribución e Consumo de Enerxía Eléctrica

I. Contexto de Investigación

Necesidades de Transformación do Sistema Eléctrico

Os cambios na estrutura enerxética están impondo maiores demandas aos sistemas eléctricos. Os sistemas eléctricos tradicionais están transicionando cara a novas xeracións de sistemas eléctricos, con as diferenzas nucleares entre eles descritas a continuación:

Ⅱ. Escenarios de aplicación central dos transformadores de estado sólido (SST)

No contexto dos novos sistemas eléctricos, o apoio activo, a regulación da integración na rede, a interconexión flexible e a interacción oferta-demanda converteuse en requisitos clave para a complementaridade enerxética espaciotemporal. Os SSTs permeaban todas as etapas—xeración, transmisión, distribución e consumo—con aplicacións específicas como as seguintes:

• Lado da xeración:Convertidores conectados directamente á rede, equipos formadores de rede, transformadores DC de media tensión para integrar eólica, solar e almacenamento.

• Lado da transmisión:Transformadores de distribución DC de media e alta tensión, dispositivos de interconexión DC flexible.

• Lado da distribución:Unidades de interconexión flexible de media e baixa tensión, transformadores electrónicos de potencia (PET) flexibles, transformadores DC para transporte eléctrico.

• Lado do consumo:Fuentes de alimentación DC para a produción de hidróxeno/aluminio, sistemas de carga conectados directamente, fuentes de alimentación directas para centros de datos.

(1) Tração de tráfico ferroviario — PETT de 25kV

Os sistemas conversores baseados en SST son equipamentos centrais para a construción das redes eléctricas de próxima xeración.

Avances técnicos clave:

• Conversión topolóxica de alta frecuencia con alta isolación e tecnoloxías de transformador de alta potencia de alta frecuencia

• Alta tensión (AC25kV de conexión directa) e tecnoloxía de alta isolación en diseños compactos (voltage de resistencia: 85kV/1min)

• Adaptación a entornos de forte impacto e vibración, refrigeración eficiente por cambio de fase

• Topoloxías de conversión de alta frecuencia e alta eficiencia e técnicas de conducción, control de modulación de alta frecuencia con conmutación suave

Resultados da aplicación:

• Instalado e probado nun TGV de 140 km/h en 2020, producindo DC1800V

• Eficiencia nominal do 96,7% (2% superior aos sistemas existentes), incremento do 20% na densidade de potencia

• Control total do lado da rede permite filtrado activo, compensación de potencia reactiva, corrente de inrush de magnetización cero e ausencia de perdas en espera

• Primeiro produto 25kV-SST do mundo que logra probas dinámicas a bordo de vehículos

(2) Suministro de enerxía ferroviaria urbana — Enrutador de enerxía multiporto para sistemas de metro

Deseño central:
Estructura de catro portos isolada que soporta a potencia de traición, a potencia auxiliar, o almacenamento de enerxía e a integración de PV.

Tecnoloxías clave:

• Topoloxía de circuito LLC de dous niveis de ponte completa baseada en IGBTs

• Topoloxía de circuito DAB baseada en SiC con configuración DC en serie-paralelo

• Tecnoloxía de conmutación suave para dispositivos de potencia (eficiencia de rama ≥98,5%)

• Transformador de 12 pulsos compartido conectado á rede AC, eliminando as correntes circulantes cando se paralelan con rectificadores de diodos

Ventaxas da aplicación:

• Elimina os voluminosos transformadores regenerativos de frecuencia de liña; reducción do 26% no tamaño, diminuíndo o espazo de instalación e os custos de construción

• Ausencia de perdas de transformador en vacío, permitindo a modernización de liñas existentes

• Integra rectificación, retroalimentación de enerxía, compensación reactiva e filtrado armónico para un control preciso do fluxo de potencia multiporto

(3) Carga e intercambio de baterías — SST de 10kV de conexión directa para carga de VE

Configuración do sistema:

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

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

Funcións centrais:

• Integra transformadores e módulos de carga; regulación de tensión de amplio rango permite a carga directa, eficiencia do sistema ≥97% (pico 98,3%)

• Proporciona soporte á rede e xestión da calidade da enerxía, permitindo interacción bidireccional V2G (vehículo-a-rede) e G2V (rede-a-vehículo)

(4) Suministro de enerxía de parques — Enrutador de enerxía de parque de baixo carbono (integración PV-almacenamento-carga)

Arquitectura do sistema:
Enrutador de enerxía de conexión directa de 10kV baseado en SST, con portos AC10kV e DC750V, con almacenamento de baterías, interfaces de carga DC e dispositivos de protección DC no lado de saída.

Configuración central:
Gabine de 315kW SST, 976,12kWp PV, almacenamento de enerxía de 0,5MW/1,3MWh, 10 estacións de carga DC.

Valor da aplicación:

• Redúce os custos de electricidade mediante a xeración fotovoltaica e o almacén de enerxía para a arbitraxe de picos

• Redúce a demanda de capacidade da estación, amortiza o impacto na rede e ofrece excelente escalabilidade

• A combinación do lado de saída de "interruptor de circuito DC de estado sólido + interruptor de desconexión" asegura o aislamento de fallos para as estacións de almacenamento e carga

(5) Integración de enerxías renovables — Enrutador de enerxía DC/DC para Hidróxeno a partir de PV

Parámetros fundamentais:

• Conversor DC/DC aislado de 5MW: entrada DC800–1500V, saída DC0–850V, conectado á barra de colectores do electrólise de hidróxeno

• Capacidade dun único armario: 3/6MVA, escalable de 3–20MVA; tensión de saída adaptable a DC0–1300V/2000V

Ventaxas técnicas:

• Redúce as etapas de conversión en comparación coa transmisión AC; eficiencia global 96%–98%

• Transformadores DC de alta frecuencia aislados con topoloxías flexibles en serie-paralelo, adecuados para PV, almacenamento, alimentación ferroviaria, produción de hidróxeno/aluminio

• Plataforma modular e configurable adaptada a diversas necesidades específicas das industrias de redes DC

(6) Optimización da rede de distribución

Dispositivo de interconexión flexible de media e baixa tensión:

• Aborda o desequilibrio de carga, o aumento da PV distribuída, a expansión dos cargadores EV e a mellora da fiabilidade

• Operación normal: interconexión asincrónica da rede con control de fluxo de potencia activa/reactiva, mellor integración de enerxías renovables e aislamento da calidade da enerxía

• Condición de fallo: aislamento rápido e conmutación automática para prevenir cortes de enerxía

Sistema de almacenamento de enerxía de conexión directa de 10kV:

• A conexión á rede de media/alta tensión reduce as perdas de liña

• A conversión de dúas etapas permite un amplio rango de regulación de tensión

• Configuración modular de PCS e baterías

• Capacidade máis flexible que a topoloxía de ponte H en cascada, garantindo a seguridade da aislación da batería e o control completo do fluxo de potencia

(7) Conexión á rede no lado de xeración — Nova interface de rede de conexión directa de 10kV para fotovoltaica

Características técnicas:

• Aislamento de alta frecuencia + topoloxía principal de CHB en cascada

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

Ventaxas fundamentais:

• Conexión directa de media tensión con DC-DC aislado realizando MPPT (Seguimiento do Punto Máximo de Potencia) e aislamento/regulación de tensión

• Arquitectura simplificada de dúas etapas, altamente eficiente; responde directamente ás demandas da rede ao nivel de 10kV

• Aplicável a escenarios de PV distribuída industrial, comercial e rural

(8) Lado de carga — Suministro eléctrico de centros de datos baseado en SST

Solución de conexión directa de 10kV:

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

• Red en anel DC de 400V no lado DC

• Control PWM completo logra factor de potencia da rede >0.99, harmónicos <3%

Perspectiva futura

Centrada nas redes de distribución AC/DC, extendéndose a renovables, transporte, suministro de enerxía, xestión de enerxía e protección contra fallos, as SST permiten unha solución de sistema integrado que abarca:

• Suministro híbrido AC/DC

• Integración fonte-rede-carga-almacenamento

• Xestión optimizada de enerxía e despacho de fluxo de potencia
  Apoiando a construción de sistemas de enerxía de próxima xeración.

III. Desafíos e discusión da aplicación

(1) Desafío de compatibilidade de protección por relés
Necesítase investigación sobre a compatibilidade entre os transformadores electrónicos de potencia e os sistemas de distribución tradicionais, especialmente para fallos de curto circuito, a terra e circuito aberto. Deben establecerse estratexias claras de control durante o paso por fallos e mecanismos de coordinación para a protección por relés.

(2) Desafíos de integración de despacho, xestión e monitorización
A adopción xeralizada de novo equipamento electrónico de potencia levanta cuestións de adaptación no despacho e monitorización, requiríndose solucions para tres necesidades fundamentais:

• Regras de despacho e mecanismos de mercado: A lóxica tradicional de "a xénese segue a carga" non pode acomodar interaccións bidireccionais "carga-xénese-rede". Deben desenvolverse mecanismos de mercado para fluxos de enerxía multidireccionais.

• Estandarización e interoperabilidade: Os diversos protocolos de interface de dispositivos provocan unha mala interoperabilidade entre os proveedores. Deben promoverse protocolos de comunicación estandarizados e conxuntos de comandos de control.

• Despacho coordinado interregional: A interconexión flexible rompe as fronteiras tradicionais de zonificación. Deben establecerse marcos de asignación unificada de responsabilidades, compartición de reservas e despacho coordinado interregional.

Estes desafíos requiren estándares unificados e mecanismos de execución de monitorización para resolvelos.