Tecnologia SST: Analisi completo di scenario nella generazione trasmissione distribuzione e consumo di energia elettrica

I. Contesto di Ricerca

Necessità di Trasformazione del Sistema Energetico

Le modifiche nella struttura energetica stanno ponendo requisiti più elevati sui sistemi elettrici. I sistemi elettrici tradizionali stanno passando a nuovi sistemi elettrici di nuova generazione, con le principali differenze tra di essi delineate come segue:

Ⅱ.Scenari di applicazione principali dei trasformatori a stato solido (SST)

Nel contesto dei nuovi sistemi elettrici, il supporto attivo, la regolazione dell'integrazione della rete, l'interconnessione flessibile e l'interazione tra offerta e domanda sono diventati requisiti chiave per la complementarità energetica spazio-temporale. Gli SST si diffondono in tutte le fasi—generazione, trasmissione, distribuzione e consumo—con applicazioni specifiche come segue:

• Lato generazione: convertitori collegati direttamente alla rete, dispositivi di formazione della rete, trasformatori DC a media tensione per l'integrazione di energia eolica, solare e di accumulo.

• Lato trasmissione: trasformatori di distribuzione DC a media e alta tensione, dispositivi di interconnessione DC flessibili.

• Lato distribuzione: unità di interconnessione flessibili a media e bassa tensione, trasformatori elettronici di potenza (PET) flessibili, trasformatori DC per i trasporti elettrificati.

• Lato consumo: alimentazioni DC per la produzione di idrogeno/alluminio, sistemi di ricarica collegati direttamente, sorgenti di alimentazione per centri di calcolo collegati direttamente.

(1) Trazione ferroviaria — PETT da 25kV

I sistemi di conversione basati su SST sono equipaggiamenti chiave per la costruzione delle prossime generazioni di reti elettriche.

Sfondi tecnologici chiave:

• Conversione topologica ad alta isolazione e alta frequenza, tecnologie di trasformatori ad alta potenza e alta frequenza

• Alta tensione (AC25kV con connessione diretta) e tecnologia ad alta isolazione in un design compatto (tensione di resistenza: 85kV/1min)

• Adattamento a ambienti con forti impatti e vibrazioni, raffreddamento efficiente a cambiamento di fase

• Topologie e tecniche di guida ad alta frequenza ed alta efficienza, controllo di modulazione ad alta frequenza con commutazione morbida

Risultati di applicazione:

• Installato e testato su un EMU da 140 km/h nel 2020, con uscita DC1800V

• Efficienza nominale del 96,7% (2% superiore ai sistemi esistenti), aumento del 20% della densità di potenza

• Controllo completo del lato rete che abilita filtraggio attivo, compensazione di potenza reattiva, corrente d'inserimento magnetizzante zero e assenza di perdite in standby

• Primo prodotto 25kV-SST al mondo a raggiungere la prova dinamica a bordo veicolo

(2) Alimentazione ferroviaria urbana — Router energetico multi-porta per sistemi metropolitani

Progettazione core:
Struttura isolata a quattro porte che supporta la potenza di trazione, la potenza ausiliaria, l'accumulo di energia e l'integrazione fotovoltaica.

Tecnologie chiave:

• Topologia di circuito LLC a due livelli a ponte pieno basata su IGBT

• Topologia di circuito DAB basata su SiC con configurazione DC in serie-parallelo

• Tecnologia di commutazione morbida per dispositivi di potenza (efficienza ramo ≥98,5%)

• Trasformatore a 12 impulsi condiviso connesso alla rete AC, eliminando le correnti circolanti quando parallelo con rettificatori a diodi

Vantaggi di applicazione:

• Elimina i voluminosi trasformatori rigenerativi a frequenza di linea; impronta ridotta del 26%, riducendo lo spazio di installazione e i costi di costruzione

• Assenza di perdite a carico nullo del trasformatore, consentendo il retrofit di linee esistenti

• Integra rettifica, feedback di energia, compensazione reattiva e filtraggio armonico per il controllo preciso del flusso di potenza multi-porta

(3) Ricarica e cambio batteria — SST da 10kV con connessione diretta per la ricarica di veicoli elettrici

Configurazione del sistema:

• Connessione diretta a media tensione da 10kV, capacità di 1MVA: 1 modulo di ricarica diretta + 2 moduli di networking con bus condivisi

• Configurato con una ricarica ultra-rapida da 300kW e sei ricariche rapide da 120kW; compatibile con l'integrazione PV-accumulo e la connessione alla rete a media tensione

Funzioni core:

• Integra trasformatore e moduli di ricarica; regolazione di tensione ad ampio intervallo che consente la ricarica diretta, efficienza del sistema ≥97% (picco 98,3%)

• Fornisce supporto alla rete e gestione della qualità dell'energia, abilitando l'interazione bidirezionale V2G (veicolo alla rete) e G2V (rete al veicolo)

(4) Alimentazione del parco — Router energetico a basso carbonio per parchi (integrazione PV-accumulo-ricarica)

Architettura del sistema:
Router energetico con connessione diretta a 10kV basato su SST, dotato di porte AC10kV e DC750V, con accumulo di batterie, interfacce di ricarica DC e dispositivi di protezione DC sul lato di uscita.

Configurazione core:
Armadio SST da 315kW, 976,12kWp PV, accumulo di energia da 0,5MW/1,3MWh, 10 stazioni di ricarica DC.

Valore dell'applicazione:

• Riduce i costi elettrici attraverso la generazione fotovoltaica e l'arbitraggio di picco della stoccaggio di energia

• Abbassa la domanda di capacità della stazione, attenua l'impatto sulla rete e offre eccellente scalabilità

• La combinazione lato uscita "interruttore a stato solido in corrente continua + interruttore di separazione" garantisce l'isolamento dei guasti per le stazioni di stoccaggio e ricarica

(5) Integrazione di Energie Rinnovabili — Router di Energia DC/DC per Fotovoltaico-Idrogeno

Parametri Chiave:

• Convertitore DC/DC isolato da 5MW: ingresso DC800–1500V, uscita DC0–850V, connesso alla barra dell'elettrolizzatore di idrogeno

• Capacità singolo armadio: 3/6MVA, scalabile da 3–20MVA; tensione di uscita adattabile a DC0–1300V/2000V

Vantaggi Tecnici:

• Riduce le fasi di conversione rispetto alla trasmissione in corrente alternata; efficienza complessiva 96%–98%

• Trasformatori DC isolati ad alta frequenza con topologie serie-parallelo flessibili, adatti per fotovoltaico, stoccaggio, alimentazione ferroviaria, produzione di idrogeno/alluminio

• Piattaforma modulare e configurabile personalizzata per le diverse esigenze specifiche delle reti DC industriali

(6) Ottimizzazione della Rete di Distribuzione

Dispositivo di Interconnessione Flessibile Medio-Basso Voltaggio:

• Affronta squilibri di carico, aumento del fotovoltaico distribuito, espansione dei caricabatterie per veicoli elettrici e miglioramento della affidabilità

• Operazione normale: interconnessione asincrona della rete con controllo del flusso di potenza attiva/reactiva, miglioramento dell'integrazione rinnovabile e isolamento della qualità dell'energia

• Condizione di guasto: isolamento rapido e commutazione automatica per prevenire interruzioni

Sistema di Stoccaggio Diretto a 10kV:

• Connessione medio-alta tensione riduce le perdite di linea

• Conversione a due stadi abilita regolazione della tensione su ampio intervallo

• Configurazione modulare PCS e batteria

• Capacità più flessibile rispetto alla topologia H-bridge a cascata, assicurando la sicurezza dell'isolamento della batteria e il controllo del flusso di energia a catena completa

(7) Connessione alla Rete Lato Generazione — Nuova Interfaccia di Rete Fotovoltaica Diretta a 10kV

Caratteristiche Tecniche:

• Isolamento ad alta frequenza + topologia circuito principale CHB a cascata

• Capacità: N×315kVA (scalabile), uscita compatibile con sistemi 1500V, efficienza >98.3%

Vantaggi Chiave:

• Connessione diretta a media tensione con DC-DC isolato che esegue MPPT (Maximum Power Point Tracking) e regolazione di isolamento/tensione

• Architettura a due stadi semplificata, altamente efficiente; risponde direttamente alle esigenze della rete al livello di 10kV

• Applicabile a scenari fotovoltaici distribuiti industriali, commerciali e rurali

(8) Lato Carico — Fornitura di Energia per Data Center Basata su SST

Soluzione di Connessione Diretta a 10kV:

• Potenza di 2.5MW (315kW × 8), efficienza del sistema 98.3%, utilizzando conversione isolata ad alta frequenza

• Rete anulare DC a 400V sul lato DC

• Controllo PWM completo raggiunge fattore di potenza lato rete >0.99, armoniche <3%

Prospettive Future

Centrate sulle reti di distribuzione AC/DC, estendendo a energie rinnovabili, trasporto, fornitura di energia, gestione dell'energia e protezione dai guasti, le SST abilitano una soluzione di sistema integrata che comprende:

• Fornitura di energia ibrida AC/DC

• Integrazione sorgente-rete-carico-stoccaggio

• Gestione energetica ottimizzata e smistamento del flusso di potenza
  Supportando la costruzione dei prossimi sistemi di potenza.

III. Sfide Applicative e Discussione

(1) Sfida di Compatibilità della Protezione a Relè
È necessario condurre ricerche sulla compatibilità tra trasformatori elettronici di potenza e i tradizionali sistemi di distribuzione, specialmente per guasti a corto circuito, a terra e aperti. Devono essere stabilite strategie di controllo chiare durante il passaggio dei guasti e meccanismi di coordinazione per la protezione a relè.

(2) Sfide di Integrazione della Gestione, Dispacciamento e Monitoraggio
L'ampia adozione di nuova apparecchiatura elettronica di potenza solleva problemi di adattamento nel dispacciamento e monitoraggio, richiedendo soluzioni per tre esigenze chiave:

• • Regole di Dispatch e Meccanismi di Mercato: La logica tradizionale "sorgente-seguita-carico" non può accogliere interazioni bidirezionali "carico-sorgente-rete". Devono essere sviluppati meccanismi di mercato per flussi di potenza multidirezionali.

  • Standardizzazione e Interoperabilità: Protocolli di interfaccia dei dispositivi diversi portano a scarsa interoperabilità tra fornitori. Devono essere promossi protocolli di comunicazione standardizzati e set di comandi di controllo.

  • Dispatch Coordinato Transregionale: L'interconnessione flessibile rompe i confini tradizionali delle zone. Devono essere stabilite strutture unificate per l'allocazione delle responsabilità, la condivisione delle riserve e il dispatch coordinato transregionale.

  Queste sfide richiedono standard unificati e meccanismi di esecuzione del monitoraggio per essere risolte.