SST ტექნოლოგია: სრული სცენარის ანალიზი ელექტროენერგიის წარმოებაში, ტრანსპორტირებაში, დისტრიბუციაში და კონსუმპციაში

I. კვლევის ფონი

ენერგიის სისტემების ტრანსფორმირების საჭიროებები

ენერგიის სტრუქტურის ცვლილებები სისტემებზე უფრო მაღალი მოთხოვნების დასაშვებად იწვევს. ტრადიციული ელექტროსისტემები გადადიან ახალ პოკოლეს ელექტროსისტემებით, მათ შორის ძირითადი განსხვავებები შემდეგნაირად შედგება:

II. სოლიდური ტრანსფორმატორების (SST) ძირითადი გამოყენების სცენარები

ახალი ენერგიის სისტემების ფონზე, აქტიური მხარდაჭერა, ქსელში ინტეგრაციის რეგულირება, ფლექსიბული კავშირი და შესაძლებლობების ინტერაქცია გახდა სპაციურ-დროული ენერგიის კომპლემენტარობის ძირითადი მოთხოვნები. SST-ები განვსაზღვრებულია ყველა ეტაპზე - წარმოებაში, ტრანსპორტირებაში, დისტრიბუციაში და მომხმარებაში, სპეციფიკური გამოყენებებით შემდეგნაირად:

• წარმოების მხარე: დირექტულად დაკავშირებული ქსელში ჩართული კონვერტორები, ქსელის ფორმირების მოწყობილობები, საშუალო დახარისხობის DC ტრანსფორმატორები ქარის, გამოხშირების და აშენების ინტეგრაციისთვის.

• ტრანსპორტირების მხარე: საშუალო და მაღალი დახარისხობის DC დისტრიბუციის ტრანსფორმატორები, ფლექსიბული DC კავშირის მოწყობილობები.

• დისტრიბუციის მხარე: საშუალო და დაბალი დახარისხობის ფლექსიბული კავშირის ერთეულები, ფლექსიბული დისტრიბუციის ელექტრონული ტრანსფორმატორები (PET), ელექტრონული ტრანსპორტისთვის დანებული DC ტრანსფორმატორები.

• მომხმარების მხარე: ჰიდროგენის/ალუმინიის წარმოებისთვის დანებული DC ენერგიის წყაროები, დირექტულად დაკავშირებული ჩარგების სისტემები, დირექტულად დაკავშირებული დატა-ცენტრების ენერგიის წყაროები.

(1) რკინიგზა ტრაქცია — 25kV ტრაქციის PETT

SST-ზე დაფუძნებული კონვერტორის სისტემები არიან შემდეგი გენერაციის ენერგიის ქსელების შესაქმნელი ძირითადი მოწყობილობები.

ძირითადი ტექნიკური სახელმძღვანელო:

• მაღალი იზოლაციის მაღალი სი частоты топология конверсии и технологии высокомощных высокочастотных трансформаторов

• მაღალი დახარისხობის (AC25kV დირექტული კავშირი) და მაღალი იზოლაციის ტექნოლოგიები კომპაქტური დიზაინის ქვეშ (დამატებითი დახარისხობა: 85kV/1min)

• შესაძლებლობა ძლიერი დატარებისა და ვიბრაციის გარემოების შესაძლებლობა, ეფექტური ფაზური განაცხადების დაშლა

• მაღალი სი частоты, высокая эффективность топологии преобразования и методы управления, высокочастотное модулирование с плавным переключением

გამოყენების შედეგები:

• დაყენებული და შემოწმებული 2020 წელს 140 km/h ემუსზე, დანებული DC1800V

• ნორმატიული ეფექტურობა 96.7% (2% უფრო მაღალი არსებული სისტემების მიმართ), 20%-იანი ძალის სიმკვრივის ზრდა

• სრული კონტროლი ქსელის მხარეს აქტიური ფილტრირების, რეაქტიული ენერგიის კომპენსაციის, ნულოვანი მაგნიტიზაციის დასახმო მიმართული მიმართულების და არარსებული დამზადების დაშავების მიერ

• მსოფლიოში პირველი 25kV-SST პროდუქტი, რომელიც დაარსდა ტრანსპორტის დინამიური ტესტირება

(2) ქალაქური რკინიგზის ენერგიის დარწმუნება — მეტრო სისტემების მრავალპორტული ენერგიის რუტერი

ძირითადი დიზაინი:
ოთხი პორტის იზოლირებული სტრუქტურა ტრაქციის ენერგიის, დამხმარე ენერგიის, ენერგიის აშენების და PV ინტეგრაციის მხარდაჭერით.

ძირითადი ტექნოლოგიები:

• IGBT-ზე დაფუძნებული ორდობითი ფრთა-ფრთა LLC სქემის ტოპოლოგია

• SiC-ზე დაფუძნებული DAB სქემის ტოპოლოგია სერიულ-პარალელური DC კონფიგურაციით

• ძალის მოწყობილობების მягкого коммутационного режима (эффективность ветви ≥98,5%)

• გაზარდებული 12-იმპულსიანი ტრანსფორმატორი AC ქსელთან დაკავშირებით, რომელიც ელიმინირებს პარალელური დიოდური რექტიფიკატორების კრუგის მიმართულებას

გამოყენების ადვილებები:

• ელიმინირებს დიდი სიზე ხარისხის რეგენერაციის ტრანსფორმატორებს; ფუტპრინტი 26%-ით ნაკლები, რაც შემცირებს დაყენების სივრცეს და შენობის ღირებულებას

• არ არის ტრანსფორმატორის დახარისხობის დაშავება, რაც შესაძლებელი ხდება არსებული ხაზების რენოვაცია

• ინტეგრირებული რექტიფიკაცია, ენერგიის უკან დაბრუნება, რეაქტიული კომპენსაცია და ჰარმონიული ფილტრირება ზუსტი მრავალპორტული ძალის ნაბიჯების კონტროლისთვის

(3) ჩარგვა და ბატარეის ჩაცვლა — 10kV დირექტული კავშირის SST ელექტრომობილების ჩარგვისთვის

სისტემის კონფიგურაცია:

• 10kV საშუალო დახარისხობის დირექტული კავშირი, 1MVA სიმკვრივი: 1 დირექტული ჩარგვის მოდული + 2 გამოყენებული ბუსის ქსელის მოდული

• კონფიგურირებული 300kW ულტრა-სწრაფი ჩარგვით და ექვსი 120kW სწრაფი ჩარგვით; სიმართლედ არის საშუალო დახარისხობის ქსელთან და PV-აშენების ინტეგრაციით კომპატიბლური

ძირითადი ფუნქციები:

• ინტეგრირებული ტრანსფორმატორი და ჩარგვის მოდულები; დიდი დიაპაზონის დახარისხობის რეგულირება დირექტული ჩარგვის მიერ, სისტემის ეფექტურობა ≥97% (პიკი 98.3%)

• ქსელის მხარდაჭერა და ძალის ხარისხის მართვა, რაც შესაძლებელია დირექტული V2G (ტრანსპორტი-ქსელი) და G2V (ქსელი-ტრანსპორტი) ინტერაქციით

(4) პარკის ენერგიის დარწმუნება — დაბალ-ნარჩენი პარკის ენერგიის რუტერი (PV-აშენება-ჩარგვის ინტეგრაცია)

სისტემის არქიტექტურა:
10kV დირექტული კავშირის ენერგიის რუტერი SST-ზე დაფუძნებული, რომელიც ხელმისაწვდომია AC10kV და DC750V პორტებით, ბატარეის აშენებით, DC ჩარგვის ინტერფეისებით და DC დაცვის მოწყობილობებით გამომტაცების მხარეს.

ძირითადი კონფიგურაცია:
315kW SST შუფი, 976.12kWp PV, 0.5MW/1.3MWh ენერგიის აშენება, 10 DC ჩარგვის სადგური.

გამოყენების მნიშვნელობა:

• ელექტროენერგიის ღირებულების შემცირება ფოტოვოლტაიკური წყაროებით და ენერგიის აკუმულირებით პიკური შემცირებით

• სახელმწიფო დაზღვევის მოთხოვნის შემცირება, ქსელის გავლენის ბუფერირება და სახელმწიფო მასშტაბირება

• გამოტანის მხარეს "სოლიდური დირექტური დირექტური ცირკუიტის გათიშვის კომბინაცია" უზრუნველყოფს ფაულის იზოლაციას აკუმულირების და ჩარგების სადგურებში

(5) განახლებადი ენერგიის ინტეგრაცია — დირექტური/დირექტური ენერგიის რუტერი ფოტოვოლტაიკური-ჰიდროგენის გარდაქმნაში

ძირითადი პარამეტრები:

• 5MW იზოლირებული დირექტური/დირექტური კონვერტერი: შესატანი DC800–1500V, გამოსატანი DC0–850V, დაკავშირებული ჰიდროგენის ელექტროლიზერის ბუსით

• ერთი კაბინეტის მოცულობა: 3/6MVA, მასშტაბირება 3–20MVA-მდე; გამოსატანი დაბრუნება შესაძლებელია DC0–1300V/2000V-მდე

ტექნიკური სარგებელები:

• კონვერტირების ეტაპების შემცირება ალტერნატიული ტრანსპორტირების შედარებით; სრული ეფექტურობა 96%–98%

• სიმართლეში იზოლირებული დირექტური ტრანსფორმატორები სერიულ-პარალელური ტოპოლოგიებით, შესაბამისი ფოტოვოლტაიკური, აკუმულირების, რეილის ენერგიის, ჰიდროგენის/ალუმინიის წარმოებისთვის

• მოდულური, კონფიგურებადი პლატფორმა სხვადასხვა სამრავლო დირექტური ქსელის საჭიროებებისთვის

(6) დისტრიბუციის ქსელის ოპტიმიზაცია

შუა და დაბალი დარტყმის ფლექსიბელი შეერთების მოწყობილობა:

• ამოცანის გადაწყვეტა ტვირთის არასიმეტრიის, დისტრიბუციული ფოტოვოლტაიკის ზრდას, ელექტრომობილის ჩარგების გაფართოებას და დამალების გაუმჯობესებას

• ნორმალური ფუნქციონირება: ასინქრონული ქსელის შეერთება აქტიური/რეაქტიური ენერგიის ნაწილად კონტროლით, განახლებადი ენერგიის ინტეგრაციის გაუმჯობესებით და ენერგიის ხარისხის იზოლაცით

• დაფარების მდგომარეობა: სწრაფი იზოლაცია და ავტომატური გადართვა დაშვების შესაცვლელად

10kV დირექტური დაკავშირების ენერგიის აკუმულირების სისტემა:

• შუა/დიდი დარტყმის ქსელის დაკავშირება ხარისხის შემცირებას უზრუნველყოფს

• ორფაზიანი კონვერტირება დიდი დიაპაზონის ვოლტაჟის რეგულირებას უზრუნველყოფს

• მოდულური PCS და ბატარეას კონფიგურაცია

• უფრო ფლექსიბული მოცულობა შედეგით H-ხის კასკადური ტოპოლოგიაზე, უზრუნველყოფს ბატარეის იზოლაციის უსაფრთხოებას და სრული ჩართვის კონტროლს

(7) ქსელში დაკავშირება წარმოების მხარეს — 10kV დირექტური დაკავშირების ფოტოვოლტაიკური ახალი ქსელის ინტერფეისი

ტექნიკური მახასიათებლები:

• სიმართლეში იზოლირებული + კასკადური CHB ძირითადი ქსელის ტოპოლოგია

• მოცულობა: N×315kVA (მასშტაბირებადი), გამოსატანი სისტემებით 1500V-ით თანხმობით, ეფექტურობა >98.3%

ძირითადი სარგებელები:

• შუა დარტყმის დირექტური დაკავშირება იზოლირებული დირექტური-დირექტური მაქსიმალური ძალის ტრეკინგით (Maximum Power Point Tracking) და იზოლაციით/ვოლტაჟის რეგულირებით

• გამარტივებული ორფაზიანი არქიტექტურა, მაღალი ეფექტურობა; დირექტური პასუხი ქსელის მოთხოვნებზე 10kV დონეზე

• გამოყენებული ინდუსტრიული, კომერციული და სახელმწიფო დისტრიბუციული PV სცენარიები

(8) ტვირთის მხარე — მონაცემთა ცენტრის ენერგიის უზრუნველყოფა SST-ზე დაფუძნებული

10kV დირექტური დაკავშირების გადაწყვეტა:

• 2.5MW ძალა (315kW × 8), სისტემის ეფექტურობა 98.3%, სიმართლეში იზოლირებული კონვერტირებით

• 400VDC დირექტური რგოლი დირექტური მხარეს

• სრული PWM კონტროლი ქსელის მხარეს დარღვევს მოხერხებული ენერგიის ფაქტორს >0.99, ჰარმონიკები <3%

მომავალი პერსპექტივა

AC/DC დისტრიბუციის ქსელების გარშემო, გაფართოებული განახლებადი რესურსებით, ტრანსპორტით, ენერგიის უზრუნველყოფით, ენერგიის მართვით და დაფარების დაცვით, SST-ები შეიძლება ინტეგრირული სისტემური გადაწყვეტა შეიქმნას, რომელიც შეიცავს:

• AC/DC ჰიბრიდული ენერგიის უზრუნველყოფა

• სრული ინტეგრაცია წყარო-ქსელ-ტვირთ-აკუმულირება

• ოპტიმიზირებული ენერგიის მართვა და ენერგიის ნაწილად დისპატჩირება
  შემოქმედების შესაძლებლობის შემდეგ შემდგომი ფერედერაციის ენერგიის სისტემების შესაქმნელად.

III. გამოყენების გამოწვევები და დისკუსია

(1) რელეების დაცვის თანამედროვეობის გამოწვევა
საჭიროა კვლევა ელექტრონული ტრანსფორმატორების და ტრადიციული დისტრიბუციის სისტემების თანამედროვეობის შესახებ, განსაკუთრებით მოკლე წრე, დამატებული და გახსნილი წრეების ფაულების შესახებ. უნდა დაიდგინოს განსაზღვრული კონტროლის სტრატეგიები ფაულის დროს და რელეების დაცვის კოორდინაციის მექანიზმები.

(2) დისპატჩირების, მართვის და მონიტორინგის ინტეგრაციის გამოწვევები
ახალი ელექტრონული მოწყობილობების ფართო გამოყენება აწარმოებს ადაპტაციის პრობლემებს დისპატჩირებაში და მონიტორინგში, რაც მოითხოვს სამი ძირითადი საჭიროების გადასარჩენად:

• • დისპეჩერიზაციის წესები და ბაზრობის მექანიზმები: ტრადიციული “წყარო თან ახლოს ტვირთს” ლოგიკა არ შეძლებს ბიდირექციული “ტვირთ-წყარო-ქსელი” ინტერაქციების ადეკვატურად დასაფუძნებლად. უნდა განვიხილოთ მრავალმიმართული ელექტროენერგიის გარდადების ბაზრობის მექანიზმები.

  • სტანდარტიზაცია და ინტეროპერაბილიტეტი: განსხვავებული მოწყობილობების ინტერფეისის პროტოკოლები იწვევს წარმომადგენლებს შორის დაბრკოლებებს ინტეროპერაბილიტეტის მიმართ. უნდა გავამართლოთ სტანდარტიზებული კომუნიკაციის პროტოკოლები და კონტროლის ბრძანებების სიმრავლეები.

  • კრებული რეგიონების დისპეჩერიზაცია: ფლექსიბული ინტერკონექტები დაიბრუნებს ტრადიციული ზონირების საზღვრებს. უნდა დავარქმევათ ერთიანი პასუხისმგებელობის განაწილება, რეზერვების გამოყენება და კრებული რეგიონების დისპეჩერიზაციის რამდენიმე რამეში მონაცემების რამდენიმე რამეში ჩათვლილი რამე.

  ამ გამოწვევების გადასაჭრელად საჭიროა ერთიანი სტანდარტები და მონიტორინგის შესრულების მექანიზმები.