SST tehnologija: Puna analiza scenarija u proizvodnji prijenosu distribuciji i potrošnji elektriciteta

I. Pregled istraživanja

Potrebe za transformacijom sustava snabdijevanja električnom energijom

Promjene u strukturi energije stavljanju sve veće potrebe na sustave snabdijevanja električnom energijom. Tradicionalni sustavi snabdijevanja električnom energijom prelaze prema novogeneracijskim sustavima snabdijevanja električnom energijom, s ključnim razlikama između njih navedenim sljedećim:

Ⅱ. Ključne primjene čvrstotransformatora (SST)

U kontekstu novih električnih sustava, aktivna podrška, integracija mreže, fleksibilna interakcija i prilagodba snaga postaju ključni zahtjevi za prostorno-vremensku komplementarnost energije. SST se prožimaju kroz sve faze - proizvodnju, prijenos, distribuciju i potrošnju - s posebnim primjenama kao što su:

• Strana proizvodnje: Direktno povezani pretvarači spojeni na mrežu, oprema za formiranje mreže, srednje-naponski DC transformatori za integraciju vjetra, sunca i pohrane.

• Strana prijenosa: Srednje- i visokonaponski DC distribucijski transformatori, fleksibilni DC uređaji za interakciju.

• Strana distribucije: Fleksibilne jedinice za interakciju srednjeg i niskog napona, fleksibilni distribucijski elektronički transformatori (PET), DC transformatori za elektroprivredu.

• Strana potrošnje: DC napajanja za proizvodnju vodika/alumina, direktno povezani sustavi za punjenje, direktno povezani izvori napajanja za podatkovne centre.

(1) Trenje u željezničkom prometu — 25kV PETT za trenje

Sustavi pretvaranja temeljena na SST su ključna oprema za izgradnju sljedeće generacije električnih mreža.

Ključni tehnološki napredci:

• Pretvorbe visokofrekventne topologije s visokom izolacijom i tehnologije visokonskih visokofrekventnih transformatora

• Visoki napon (AC25kV direktno povezan) i visoka izolacijska tehnologija uz kompaktni dizajn (izdržljivost napona: 85kV/1min)

• Prilagodba okruženjima s jakim udarcima i vibracijama, učinkovito toplinsko odsjedanje

• Visokofrekventne, učinkovite topologije pretvaranja i tehnike vođenja, visokofrekventno modulacijsko upravljanje s gladkim preklapanjem

Rezultati primjene:

• Instalirano i testirano na EMU brzinom od 140 km/h 2020. godine, izlaz DC1800V

• Nominirana učinkovitost od 96,7% (2% više od postojećih sustava), porast gustoće snage za 20%

• Potpuno kontrolirana strana mreže omogućuje aktivno filtriranje, kompenzaciju reaktivnog snaga, nulte magnetizacijske struje i nema gubitaka pri pripravnosti

• Prvi svjetski 25kV-SST proizvod koji je ostvario dinamičko ispitivanje na vozilu

(2) Napajanje gradskog željezničkog prometa — Višeportni energetski router za metroustav

Osnovni dizajn:
Četveroportna izolirana struktura koja podržava napajanje za trenje, pomoćno napajanje, pohranu energije i integraciju fotovoltaika.

Ključne tehnologije:

• Dvostupanji full-bridge LLC kola topologija temeljena na IGBT-ovima

• SiC temeljena DAB kola topologija s serijalno-paralelnom DC konfiguracijom

• Soft-switching tehnologija za napajanje uređaja (učinkovitost grananja ≥98,5%)

• Zajednički 12-pulsni transformator povezan s AC mrežom, eliminira cirkulacijske struje kada se paralelno spajaju s diodnim pretvaračima

Prednosti primjene:

• Eliminira obujamne linearnofrekventne regenerativne transformatore; manji otisak za 26%, smanjuje prostor za instalaciju i troškove građevine

• Bez gubitaka pri pripravnosti transformatora, omogućuje nadogradnju postojećih linija

• Integrira rektifikaciju, povratnu energiju, reaktivnu kompenzaciju i harmonijsko filtriranje za precizno upravljanje višeportnim protocima snaga

(3) Punjenje i zamjena baterija — 10kV direktno povezani SST za punjenje električnih vozila

Konfiguracija sustava:

• Direktna veza srednjeg naponskog nivoa od 10kV, kapacitet 1MVA: 1 modul za direktno punjenje + 2 modula za mrežni rad zajedničkog busa

• Konfiguriran s ultra-brzim punjenjem od 300kW i šest brzih punjača od 120kW; kompatibilan s integracijom fotovoltaika i pohrane te srednjim naponskim vezama

Osnovne funkcije:

• Integrira transformator i module za punjenje; široki raspon regulacije napona omogućuje direktno punjenje, učinkovitost sustava ≥97% (vrhunski 98,3%)

• Pruža podršku mreži i upravljanje kvalitetom napajanja, omogućuje dvosmjerno V2G (vozilo do mreže) i G2V (mreža do vozila) interakciju

(4) Napajanje parka — Niskougljični energetski router parka (integracija fotovoltaika, pohrane i punjenja)

Arhitektura sustava:
10kV direktno povezani energetski router temeljen na SST, s portovima AC10kV i DC750V, s pohranom baterija, DC sučeljima za punjenje i DC zaštitnim uređajima na strani izlaza.

Osnovna konfiguracija:
315kW SST ormari, 976,12kWp fotovoltaika, 0,5MW/1,3MWh pohrana energije, 10 DC stajala za punjenje.

Vrijednost primjene:

• Smanjuje troškove električne energije putem proizvodnje iz fotovoltaičnih (PV) izvora i pohrane energije s arbitražom vrha potrošnje

• Smanjuje potrebu za kapacitetom stanice, umanjuje utjecaj na mrežu i nudi odličnu skalabilnost

• Kombinacija "pečenog DC prekidača + odvojnog prekidača" na strani izlaza osigurava izolaciju grešaka za sustave pohrane i punjenja

(5) Integracija obnovljivih izvora energije — DC/DC energetski router za pretvorbu PV u vodik

Osnovni parametri:

• 5MW izolirani DC/DC pretvarač: ulazni DC800–1500V, izlazni DC0–850V, spojen s autobusom vodikovog elektroliza

• Kapacitet jedne skrinje: 3/6MVA, skalabilno od 3–20MVA; izlazna napona prilagodljiva na DC0–1300V/2000V

Tehnički prednosti:

• Smanjuje broj faza pretvorbe u usporedbi s prijenosom AC; ukupna učinkovitost 96%–98%

• Visokofrekventni izolirani DC transformatori s fleksibilnim serijalno-paralelnim topologijama, prikladni za PV, pohranu, željezničku energiju, proizvodnju vodika i aluminija

• Modularna, konfigurabilna platforma prilagođena različitim industrijskim specifičnim potrebama DC mreže

(6) Optimizacija distribucijske mreže

Uredjaj fleksibilne interakcije na srednjem i niskom naponu:

• Rješava neravnotežu opterećenja, rast distribuirane PV, širenje naplatnih uređaja za električna vozila i poboljšanje pouzdanosti

• Normalna operacija: asinkrona interakcija s mrežom s kontrolom protoka aktivne/reaktivne snage, poboljšana integracija obnovljivih izvora energije i izolacija kvalitete energije

• U slučaju greške: brza izolacija i automatsko prebacivanje kako bi se spriječili ometaji

Sustav direktno povezanog pohrane energije na 10kV:

• Povezivanje na srednji/viši napon smanjuje gubitke na liniji

• Dvostepeni proces pretvorbe omogućuje širok raspon regulacije napona

• Modularna konfiguracija PCS i baterija

• Fleksibilnija kapacitetnost u usporedbi s topologijom kaskadnog H-mosta, osiguravajući sigurnost izolacije baterija i kontrolo protoka energije u cijelom lancu

(7) Povezivanje sa strane proizvodnje — novi grid sučelje za direktno povezanu fotovoltaičnu (PV) mrežu na 10kV

Tehnička značajka:

• Visokofrekventna izolacija + kaskadna CHB glavna kola topologija

• Kapacitet: N×315kVA (skalabilno), izlaz kompatibilan s sustavima 1500V, učinkovitost >98.3%

Glavne prednosti:

• Direktno povezivanje srednjeg naponskog razmaka s izoliranim DC-DC koji obavlja MPPT (Maximum Power Point Tracking) i izolaciju/regulaciju napona

• Pojednostavljena dvostepena arhitektura, visoko učinkovita; direktno reagira na zahtjeve mreže na razini 10kV

• Primjenjivo na industrijske, trgovinske i ruralne distribuirane PV scenarije

(8) Strana opterećenja — opskrbu podatkovnim centrima temeljenu na SST-u

Rješenje direktnog povezivanja na 10kV:

• Snaga 2.5MW (315kW × 8), učinkovitost sustava 98.3%, koristeći visokofrekventnu izoliranu pretvorbu

• DC prstenasta mreža na strani DC-a

• Potpuna PWM kontrola postiže faktor snage strane mreže >0.99, harmonike <3%

Buduće perspektive

S fokusom na AC/DC distribucijske mreže, proširene na obnovljive izvore energije, promet, opskrbu, upravljanje energijom i zaštitu od grešaka, SST-ovi omogućuju integralno sustavno rješenje koje obuhvaća:

• Hibridnu opskrbu AC/DC

• Integraciju izvora, mreže, opterećenja i pohrane

• Optimizirano upravljanje energijom i raspodjelu protoka energije
  Podržava izgradnju sljedeće generacije sustava opskrbe električnom energijom.

III. Izazovi u primjeni i rasprava

(1) Izazov kompatibilnosti s zaštitom reléa
Potrebno je istražiti kompatibilnost između elektroničkih transformatora i tradicionalnih distribucijskih sustava, posebno za kratkosporne, taložne i otvorene krugove. Moraju se postaviti jasne strategije kontrole tijekom prolaska greškom i mehanizmi koordinacije za zaštitu reléa.

(2) Izazovi u upravljanju, nadzoru i integraciji dispečerskih radnji
Široko korištenje novog elektroničkog opreme podiže pitanja prilagodbe u dispečerskim i nadzornim radnjama, zahtijevajući rješenja za tri ključne potrebe:

• • Pravila raspoređivanja i tržišni mehanizmi: Tradicionalna logika "izvor prati potrošnju" ne može podržati dvosmjernu interakciju "potrošač-izvor-mreža". Moraju se razviti tržišni mehanizmi za višesmjerne struje.

  • Standardizacija i interoperabilnost: Raznoliki protokoli sučelja uređaja dovode do loše interoperabilnosti među proizvođačima. Moraju se promovirati standardizirani komunikacijski protokoli i setovi naredbi za kontrolu.

  • Koordinirano raspoređivanje preko regija: Fleksibilna povezanost ruši tradicionalne granice zoniranja. Moraju se uspostaviti okviri za jedinstveno raspodjelu odgovornosti, dijeljenje rezervnih kapaciteta i koordinirano raspoređivanje preko regija.

  Ovi izazovi zahtijevaju unificirane standarde i mehanizme nadzora izvršenja kako bi se riješili.