SST Technológia: Teljes forgatókönyv elemzés az energia termelésében átadásban elosztásban és fogyasztásban

I. Kutatási Háttér

Az Energiarendszer Transzformációs Igényei

Az energiastruktúra változásai növekvő igényeket támasztanak az energiaszolgáltató rendszerekre. A hagyományos energiaszolgáltató rendszerek átmennek új generációs energiaszolgáltató rendszerekre, amelyek közötti alapvető különbségek a következők:

Ⅱ. Szilárdállományú transzformátorok (SST) alapvető alkalmazási területei

Az új energiarendszerek háttérében az aktív támogatás, a hálózati integráció szabályozása, a rugalmas összeköttetés és a kínálat-igény interakció időbeli és térbeli energiakiegészítőség kulcsfontosságú követelményei lettek. Az SST-k áthatnak minden szakaszban – termelés, továbbítás, elosztás és fogyasztás –, specifikus alkalmazásokkal, mint például:

• Termelési oldal:Közvetlenül csatlakoztatott hálózathoz kapcsolódó konverterek, hálózatot formáló eszközök, közép-feszültségű DC transzformátorok szél-, napelem- és tárolóintegrációhoz.

• Továbbítási oldal:Közép- és magasfeszültségű DC elosztási transzformátorok, rugalmas DC összeköttetési eszközök.

• Elosztási oldal:Közép- és alacsonyfeszültségű rugalmas összeköttetési egységek, rugalmas elosztási hatású elektromos transzformátorok (PET), DC transzformátorok elektromos közlekedéshez.

• Fogyasztási oldal:DC tápegységek hidrogén/alumínium-termeléshez, közvetlenül csatlakoztatott töltőrendszer, közvetlenül csatlakoztatott adatközponti tápegységek.

(1) Vasúti szenvedélyhajtás — 25kV szenvedélyhajtású PETT

Az SST alapú konverterrendszerek a következő generációs hálózatok létrehozásának alapvető eszközei.

Kulcsfontosságú technológiai áttörések:

• Magas izolációjú magasfrekvenciás topológiai konverzió és nagy teljesítményű magasfrekvenciás transzformátor technológiák

• Magasfeszültségű (AC25kV közvetlen összeköttetés) és magasizolációs technológia kompakt tervezés mellett (erősítőfeszültség: 85kV/1perc)

• Erős ütközések és rezgés környezetének alkalmazkodása, hatékony fázisváltó hűtés

• Magasfrekvenciás, nagyhatékonyságú konverziós topológiák és vezérlési technikák, sima kapcsolással rendelkező magasfrekvenciás modulációs irányítás

Alkalmazási eredmények:

• 2020-ban 140 km/h-es EMU-ra telepítve és tesztelve, DC1800V kimenettel

• 96,7% nominális hatékonyság (2%-kal magasabb, mint a meglévő rendszerek), 20%-os teljesítmény-sűrűség növekedése

• Teljesen ellenőrzött hálózati oldal aktív szűrés, reaktív teljesítmény kiegyenlítés, nulla mágneses beáramlás és nincsenek állóveszteségek

• A világ első 25kV-SST termék, amely járműzetén belüli dinamikus tesztelést ért el

(2) Városi vasúti ellátás — Többportú energiaszámláló metrórendszerekhez

Alapvető tervezés:
Négyportú izolált szerkezet, amely támogatja a szenvedélyhajtást, a segédenergiát, a tárolást és a napelem-integrációt.

Kulcsfontosságú technológiák:

• IGBT-alapú két szintű teljes-híd LLC áramkör topológia

• SiC-alapú DAB áramkör topológia sorozat-paralellis DC konfigurációval

• Szabadon váltó technológia energiaeszközökhez (ág-hatékonyság ≥98,5%)

• Megosztott 12-pulszes transzformátor AC hálózathoz csatlakoztatva, diódarektifikátorok párhuzamos használatakor keringő áramok kivonása

Alkalmazási előnyök:

• Elveti a hatalmas vonal-frekvenciás regeneratív transzformátorokat; 26%-kal kisebb lábterület, csökkentve a telepítési területet és az építési költségeket

• Nincsenek transzformátor állóveszteségei, lehetővé téve a meglévő vonalak frissítését

• Integrálja a rektifikációt, az energia visszahelyezését, a reaktív kiegyenlítést és a harmonikus szűrést a pontos többportú energiaáramlátlánc-irányításhoz

(3) Töltés és akkuscsera — 10kV közvetlenül csatlakoztatott SST elektromos járművek töltésére

Rendszer konfigurációja:

• 10kV közepes feszültségű közvetlen összeköttetés, 1MVA kapacitás: 1 közvetlen töltési modul + 2 megosztott buszos hálózati modul

• 300kW ultra-gyors töltéssel és hat 120kW gyors töltéssel konfigurálva; kompatibilis a napelem-tároló integrációval és a közepes feszültségű hálózattal

Alapvető funkciók:

• Integrálja a transzformátort és a töltési modult; széles tartományú feszültség-szabályozás lehetővé teszi a közvetlen töltést, a rendszer hatékonysága ≥97% (csúcs 98,3%)

• Hálózati támogatást és energia minőség-kezelést nyújt, lehetővé téve a kétirányú V2G (jármű-ról hálózatra) és G2V (hálózatról járműre) interakciót

(4) Park ellátás — Alacsony szén-dioxid-kibocsátású park energiaszámláló (napelem-tároló-töltési integráció)

Rendszer architektúrája:
10kV közvetlenül csatlakoztatott energiaszámláló SST alapján, AC10kV és DC750V portokkal, akkumulátor-tárolóval, DC töltőfelületekkel és DC védelmi eszközökkel a kimeneti oldalon.

Alapvető konfiguráció:
315kW SST szekrény, 976,12kWp napelem, 0,5MW/1,3MWh energia tárolása, 10 DC töltőállomás.

Alkalmazási érték:

• A napelemes energia termelés és az energiatárolás csúcslevágása révén csökkenti a villamosenergia költségeit

• Csökkenti a települési kapacitás igényét, buffereli a hálózat hatását, és kiváló skálázhatóságot kínál

• A tároló- és töltőállomások hibaelhelyezéséért gondoskodik a "szilárdtestes DC áramköri töréspont + elválasztókapcsoló" kombinációja

(5) Megújuló energia integráció — DC/DC energia útválasztó a napelem-hidrogén konverzióhoz

Központi paraméterek:

• 5 MW izolált DC/DC konverter: bemeneti DC 800–1500 V, kimeneti DC 0–850 V, kapcsolódik a hidrogén elektrolizátor buszbárjához

• Egyetlen szekrény kapacitása: 3/6 MVA, méretezhető 3–20 MVA-ra; kimeneti feszültség alkalmazkodó DC 0–1300 V/2000 V-ra

Technológiai előnyök:

• Kevesebb konverziós szakasz, mint az AC átadáshoz képest; teljes hatékonyság 96%–98%

• Magasfrekvenciás izolált DC transzformátorok rugalmas soros-paralell topológiával, alkalmas a napelem, tároló, vasúti energia, hidrogén/alumínium termelésre

• Moduláris, konfigurálható platform, mely egyedi ipari DC hálózati igényekhez igazítható

(6) Elosztó hálózat optimalizálása

Közép- és alacsonyfeszültségű rugalmas összekötő eszköz:

• Kezeli a terhelés egyensúlytalanságát, a növekvő elosztott napelem, EV töltők kiterjesztését, valamint a megbízhatóság javítását

• Normál működés: aszinkron hálózat összekötése aktív/reactív teljesítmény irányításával, javítva a megújuló energia integrációját, és a minőségi energia elkülönítését

• Hiba esetén: gyors elhelyezés és automatikus váltás, hogy elkerülje a leállást

10 kV közvetlenül csatlakoztatott energia tároló rendszer:

• Közepes/magasspanningű hálózat csatlakoztatása csökkenti a vonalveszteségeket

• Kétstádiós konverzió lehetővé teszi a széles tartományú feszültség szabályozását

• Moduláris PCS és akkumulátor konfiguráció

• Rugalmasabb kapacitás, mint a lépcsős H-híd topológia, amely biztosítja az akkumulátor izolációs biztonságát és a teljes lánc teljesítmény irányítását

(7) Hálózat csatlakoztatása a generációs oldalon — 10 kV közvetlenül csatlakoztatott fotovoltaikus új hálózati interfész

Technológiai jellemzők:

• Magasfrekvenciás izoláció + lépcsős CHB főkör topológia

• Kapacitás: N×315 kVA (méretezhető), kimenet kompatibilis 1500 V rendszerekkel, hatékonyság >98.3%

Központi előnyök:

• Közepes-spanningű közvetlen csatlakoztatás izolált DC-DC MPPT (Maximális Teljesítmény Pont Követés) és izoláció/feszültség szabályozással

• Sima kétstádiós architektúra, nagyon hatékony; közvetlenül reagál a 10 kV szintű hálózati igényekre

• Alkalmazható ipari, kereskedelmi és vidéki elosztott napelemes forgatókönyvekre

(8) Terhelési oldal — SST alapú adatközpont ellátása

10 kV közvetlen csatlakoztatási megoldás:

• 2.5 MW teljesítmény (315 kW × 8), rendszer hatékonyság 98.3%, magasfrekvenciás izolált konverziót használ

• 400 VDC DC gyűrű hálózat a DC oldalon

• Teljes PWM ellenőrzés, hálózati oldali teljesítmény faktor >0.99, harmonikus <3%

Jövőbeli kilátás

Az AC/DC elosztó hálózatok köré épül, kiterjedve a megújuló energiaforrásokra, a közlekedésre, az ellátásra, az energiakezelésre és a hiba védelmére, az SST-k olyan integrált rendszer megoldást tesznek lehetővé, amely tartalmazza:

• AC/DC hibrid ellátást

• Forrás-hálózat-terhelés-tároló integrációt

• Optimalizált energia kezelést és teljesítményügyi ütemezést
  Támogatja a következő generációs energia rendszerek felépítését.

III. Alkalmazási kihívások és viták

(1) Átkötő védelem kompatibilitási kihívásai
Kutatásra van szükség a hatékonysági transzformátorok és a hagyományos elosztó rendszerek kompatibilitásán, különösen rövidzárt, földelési és nyitott zárlási hibák esetén. Világos ellenőrzési stratégiák és koordinációs mechanizmusokat kell kialakítani a hibajavítás során és az átkötő védelemhez.

(2) Ütemezés, kezelés és figyelés integrációs kihívásai
Az új hatékonysági elektronikai berendezések széles körben történő bevezetése felvet néhány adaptációs problémát az ütemezés és a figyelés terén, amire három központi igényre kell megoldást találni:

• • Ütemezési szabályok és piaci mechanizmusok: A hagyományos „a forrás követi a terhelést” logika nem képes kezelni a kétirányú „terhelés-forrás-hálózat” interakciókat. Többirányú áramlási piaci mechanizmusokat kell kifejleszteni.

  • Szabványosítás és összeilleszthetőség: A sokféle eszközfelületi protokoll csökkenti a gyártók közötti összeilleszthetőséget. Szabványos kommunikációs protokollokat és irányítási parancsokat kell előmozdítani.

  • Régiókon átívelő koordinált ütemezés: A rugalmas összeköttetés megszakítja a hagyományos zonális határokat. Egységes felelősségi megosztást, tartalék megosztást és régiókon átívelő koordinált ütemezési keretrendszereket kell kialakítani.

  Ezek a kihívások egységes szabványokat és figyelési végrehajtási mechanizmusokat igényelnek a megoldásukhoz.