SST Technology: 発電、送電、配電、消費における全シナリオ分析

I. 研究背景

电力系统转型的需求

能源结构的变化对电力系统提出了更高的要求。传统的电力系统正在向新一代电力系统转变，其核心差异如下：

Ⅱ. 固体変圧器（SST）のコア応用シナリオ

新しい電力システムの背景のもと、アクティブサポート、グリッド統合調整、柔軟な相互接続、供給需要の相互作用が、時間空間エネルギー補完性のための重要な要件となっています。SSTは発電、送電、配電、消費のすべての段階に浸透しており、具体的な応用は以下の通りです：

• 発電側：直接接続型並列変換器、グリッド形成装置、風力、太陽光、エネルギー貯蔵を統合する中圧直流変圧器。

• 送電側：中・高圧直流配電変圧器、柔軟な直流相互接続装置。

• 配電側：中・低圧柔軟接続ユニット、柔軟な配電パワーエレクトロニクス変圧器（PET）、電気自動車向け直流変圧器。

• 消費側：水素/アルミニウム生産用直流電源、直接接続充電システム、データセンター向け直接接続電源。

(1) 鉄道牽引 — 25kV 牽引 PETT

SSTベースのコンバーターシステムは、次世代電力網を構築するための中心的な設備です。

主要な技術的突破点：

• 高絶縁高周波トポロジー変換と高出力高周波変圧器技術

• コンパクト設計下での高電圧（AC25kV 直接接続）および高絶縁技術（耐電圧：85kV/1分間）

• 強衝撃と振動環境への適応、効率的な相転移冷却

• 高周波、高効率変換トポロジーと駆動技術、滑らかなスイッチングによる高周波調制制御

適用結果：

• 2020年に140km/h EMUに設置・試験され、DC1800V出力

• 定格効率96.7%（既存システムより2%高い）、出力密度20%増加

• 完全制御されたグリッドサイドにより、能動フィルタリング、無効電力補償、ゼロ磁化ラッシュ電流、待機損失なし

• 世界初の25kV-SST製品で車載動態試験を達成

(2) 市街鉄道電力供給 — 地下鉄システム用マルチポートエネルギールーター

コア設計：
トラクション電力、補助電力、エネルギー貯蔵、PV統合をサポートする四ポート隔離構造。

主要技術：

• IGBTに基づく二レベル全橋LLC回路トポロジー

• SiCに基づくDAB回路トポロジーと直列並列DC構成

• パワーデバイスのソフトスイッチング技術（ブランチ効率≥98.5%）

• ダイオード整流器と並列接続時の循環電流を排除する共有12パルス変圧器

適用上の利点：

• 大型の商用周波数再生変圧器を排除；フットプリント26%縮小、設置スペースと建設コスト削減

• 変圧器の空載損失なし、既存ラインの改修可能

• 整流、エネルギーフィードバック、無効電力補償、高調波フィルタリングを統合し、正確なマルチポート電力フロー制御を実現

(3) 充電およびバッテリー交換 — EV充電用10kV直接接続SST

システム構成：

• 10kV中圧直接接続、1MVA容量：1つの直接充電モジュール + 2つの共有バスネットワークモジュール

• 300kW超高速充電と6つの120kW高速充電器を設定；PV-エネルギー貯蔵統合と中圧グリッド接続に対応

コア機能：

• 変圧器と充電モジュールを統合；広範囲電圧調整により直接充電、システム効率≥97%（ピーク98.3%）

• グリッドサポートと電力品質管理を提供、双方向V2G（車両からグリッド）およびG2V（グリッドから車両）の相互作用を可能にする

(4) パーク電力供給 — 低炭素パークエネルギールーター（PV-エネルギー貯蔵-充電統合）

システムアーキテクチャ：
SSTに基づく10kV直接接続エネルギールーター、AC10kVおよびDC750Vポートを特徴とし、出力側にはバッテリー貯蔵、DC充電インターフェース、DC保護装置を備える。

コア構成：
315kW SSTキャビネット、976.12kWp PV、0.5MW/1.3MWh エネルギー貯蔵、10 DC充電ステーション。

適用価値：

• PV発電とエネルギー貯蔵によるピークシェービングアービトラージにより電力コストを削減

• ステーション容量要求を低下させ、グリッドへの影響を緩和し、優れた拡張性を提供

• 出力側の「固体状態DCサーキットブレーカー + 分離スイッチ」組み合わせにより、エネルギー貯蔵と充電ステーションの故障隔離を確保

(5) 再生可能エネルギー統合 — PV-水素用DC/DCエネルギールーター

コアパラメータ：

• 5MW隔離DC/DCコンバーター：入力DC800–1500V、出力DC0–850V、水素電解槽バスバーに接続

• 単一キャビネット容量：3/6MVA、スケーラブルな3–20MVA；出力電圧はDC0–1300V/2000Vに対応

技術的優位性：

• 交流送電と比較して変換段階を削減；全体効率96%–98%

• 柔軟な直列並列トポロジーを持つ高周波隔離DC変圧器、PV、エネルギー貯蔵、鉄道電力、水素/アルミニウム生産に適している

• 多様な業界固有のDCグリッドニーズに合わせてカスタマイズ可能なモジュラー、構成可能なプラットフォーム

(6) 配電網最適化

中・低圧柔軟接続装置：

• 負荷の不均衡、分散型PVの増加、EV充電器の拡大、信頼性向上に対処

• 通常運転：非同期グリッド相互接続による有効/無効電力フロー制御、再生可能エネルギー統合の改善、電力品質隔離

• 障害時：迅速な隔離と自動切り替えにより停電を防止

10kV直接接続エネルギーストレージシステム：

• 中・高圧グリッド接続により線路損失を削減

• 二段階変換により広範囲の電圧調整を可能にする

• モジュラーPCSとバッテリー構成

• カスケードHブリッジトポロジーと比較してより柔軟な容量、バッテリーの絶縁安全とフルチェーン電力フロー制御を確保

(7) 発電側グリッド接続 — 10kV直接接続太陽光発電新グリッドインターフェース

技術的特長：

• 高周波隔離 + カスケードCHB主回路トポロジー

• 容量：N×315kVA（スケーラブル）、出力は1500Vシステムに対応、効率＞98.3%

コア優位性：

• 中圧直接接続により、MPPT（最大電力点追跡）と絶縁/電圧調整を行う隔離DC-DC

• 簡素化された二段階アーキテクチャ、非常に効率的；10kVレベルで直接グリッド要求に応答

• 産業、商業、農村分散型太陽光発電シナリオに適用可能

(8) 負荷側 — SSTに基づくデータセンターパワーサプライ

10kV直接接続ソリューション：

• 2.5MW電力（315kW × 8）、システム効率98.3%、高周波隔離変換を使用

• DC側の400VDC DCリングネットワーク

• フルPWM制御により、グリッド側電力係数＞0.99、高調波＜3%を達成

将来展望

AC/DC配電網を中心に、再生可能エネルギー、輸送、電力供給、エネルギーマネージメント、障害保護にまで拡大し、SSTは以下のような包括的なシステムソリューションを可能にします：

• AC/DCハイブリッド電力供給

• 電源-グリッド-負荷-エネルギー貯蔵統合

• 最適化されたエネルギーマネージメントと電力フローディスパッチ
  次世代電力システムの構築を支援する。

III. 応用課題と議論

(1) 絶縁保護互換性課題
パワーエレクトロニクス変圧器と伝統的な配電システムとの互換性に関する研究が必要です。特に短絡、接地、オープン回路障害について、障害通過中の明確な制御戦略と絶縁保護の調整機構を確立する必要があります。

(2) 指示、管理、監視統合課題
新しいパワーエレクトロニクス装置の普及により、指示と監視における適応問題が生じています。以下の三つの核心的なニーズに対する解決策が必要です：

• 指示規則と市場メカニズム：伝統的な「電源が負荷に従う」論理は、双方向の「負荷-電源-グリッド」相互作用に対応できません。多方向電力フロー市場メカニズムを開発する必要があります。

• 標準化と相互運用性：多様なデバイスインターフェイスプロトコルにより、ベンダー間の相互運用性が低い。標準化された通信プロトコルと制御コマンドセットを推進する必要があります。

• 地域を超えた協調指示：柔軟な相互接続により、伝統的なゾーニング境界が崩れます。統一された責任割り当て、予備共有、および地域を超えた協調指示フレームワークを確立する必要があります。

これらの課題は、統一された標準と監視実行メカニズムを用いて解決する必要があります。