Teknologi SST: Analisis Penuh Skenario dalam Pembangkitan Tenaga Elektrik Penghantaran Penyediaan dan Penggunaan

I. Latar Belakang Penyelidikan

Kebutuhan Transformasi Sistem Kuasa

Perubahan struktur tenaga menempatkan tuntutan yang lebih tinggi terhadap sistem kuasa. Sistem kuasa tradisional sedang berpindah ke arah sistem kuasa generasi baru, dengan perbezaan inti antara keduanya dinyatakan seperti berikut:

Ⅱ.Skenario Aplikasi Utama Transformator Solid-State (SST)

Dalam latar belakang sistem kuasa baru, sokongan aktif, regulasi penggabungan grid, interkoneksi fleksibel, dan interaksi permintaan-penawaran telah menjadi keperluan utama untuk pelengkap energi ruang-masa. SST meresap ke semua tahap—penghasilan, transmisi, distribusi, dan penggunaan—dengan aplikasi spesifik sebagai berikut:

• Sisi Penghasilan:Konverter grid-tied langsung, peralatan pembentuk grid, transformator DC menengah untuk mengintegrasikan angin, suria, dan penyimpanan.

• Sisi Transmisi:Transformator distribusi DC menengah dan tinggi, peranti interkoneksi DC fleksibel.

• Sisi Distribusi:Unit interkoneksi fleksibel menengah dan rendah, transformator elektronik kuasa (PET) fleksibel, transformator DC untuk pengangkutan elektrifikasi.

• Sisi Pengguna:Sumber daya DC untuk produksi hidrogen/aluminium, sistem pengisian daya langsung, sumber daya pusat data langsung.

(1) Tarikan Laluan Rel — PETT 25kV

Sistem pemindah berasaskan SST adalah peralatan utama untuk membina grid kuasa generasi seterusnya.

Penembusan Teknikal Utama:

• Topologi penukaran frekuensi tinggi dengan isolasi tinggi dan teknologi transformator frekuensi tinggi daya tinggi

• Teknologi tegangan tinggi (AC25kV sambungan langsung) dan isolasi tinggi di bawah reka bentuk padat (tegangan tahan: 85kV/1min)

• Pelancongan dan getaran yang kuat, penyejukan fasa perubahan yang efisien

• Topologi dan teknik pemanduan penukaran frekuensi tinggi, efisiensi tinggi dengan modulasi frekuensi tinggi yang licin

Keputusan Aplikasi:

• Dipasang dan diuji pada EMU 140 km/jam pada tahun 2020, mengeluarkan DC1800V

• Kadar efisiensi dinilai 96.7% (2% lebih tinggi daripada sistem sedia ada), peningkatan kepadatan kuasa sebanyak 20%

• Sisi grid sepenuhnya dikawal membolehkan penapisan aktif, kompensasi daya reaktif, arus magnetisasi inrush sifar, dan tiada kerugian siaga

• Produk 25kV-SST pertama di dunia yang mencapai ujian dinamik kendaraan

(2) Bekalan Kuasa Laluan Bandar — Router Energi Multi-port untuk Sistem Metro

Reka Bentuk Inti:
Struktur terasing empat port yang menyokong kuasa tarikan, kuasa tambahan, penyimpanan, dan integrasi PV.

Teknologi Utama:

• Topologi litar LLC dua tahap berdasarkan IGBTs

• Topologi litar DAB berdasarkan SiC dengan konfigurasi DC seri-paralel

• Teknologi penukaran lembut bagi peranti kuasa (efisiensi cabang ≥98.5%)

• Transformator 12-pulsus berkongsi disambungkan ke grid AC, menghapuskan arus melingkar apabila diparalelkan dengan pemfokus dioda

Kelebihan Aplikasi:

• Menghapuskan transformator regeneratif frekuensi garis yang besar; jejak kaki lebih kecil sebanyak 26%, mengurangkan ruang pemasangan dan kos pembinaan

• Tiada kerugian transformator tanpa beban, membolehkan penjenisan semula laluan sedia ada

• Mengintegrasikan rektilik, umpan balik tenaga, kompensasi reaktif, dan penapisan harmonik untuk kawalan aliran kuasa multi-port yang tepat

(3) Pengisian & Pertukaran Bateri — SST 10kV Sambungan Langsung untuk Pengisian EV

Konfigurasi Sistem:

• Sambungan langsung tegangan menengah 10kV, kapasiti 1MVA: 1 modul pengisian langsung + 2 modul rangkaian bus berkongsi

• Dikonfigurasikan dengan pengisian supercepat 300kW dan enam pengisian pantas 120kW; serasi dengan integrasi PV-penyimpanan dan sambungan grid menengah

Fungsi Inti:

• Mengintegrasikan transformator dan modul pengisian; kawalan voltan dalam lingkup luas membolehkan pengisian langsung, efisiensi sistem ≥97% (puncak 98.3%)

• Menyediakan sokongan grid dan pengurusan kualiti kuasa, membolehkan interaksi V2G (kenderaan-ke-grid) dan G2V (grid-ke-kenderaan) dwihala

(4) Bekalan Kuasa Taman — Router Energi Taman Rendah Karbon (Integrasi PV-Penyimpanan-Pengisian)

Arsitektur Sistem:
Router energi sambungan langsung 10kV berdasarkan SST, menampilkan port AC10kV dan DC750V, dengan penyimpanan bateri, antara muka pengisian DC, dan peranti perlindungan DC di sisi output.

Konfigurasi Inti:
Kabinet SST 315kW, PV 976.12kWp, penyimpanan 0.5MW/1.3MWh, 10 stesen pengisian DC.

Nilai Aplikasi:

• Mengurangkan kos elektrik melalui pembangkitan PV dan arbitraj puncak penyimpanan tenaga

• Mengurangkan permintaan kapasiti stesen, membufer impak grid, dan menawarkan skala yang sangat baik

• Gabungan "penutup litar DC pepejal + sakelar pemutus" di sisi output memastikan isolasi kesalahan bagi penyimpanan dan stesen pengisian

(5) Integrasi Energi Pembaharuan — Router Energi DC/DC untuk PV-ke-Hidrogen

Parameter Inti:

• Penukar DC/DC terasing 5MW: input DC800–1500V, output DC0–850V, disambungkan ke busbar elektrolisis hidrogen

• Kapasiti kabinet tunggal: 3/6MVA, skalabel dari 3–20MVA; voltan output boleh disesuaikan dengan DC0–1300V/2000V

Kelebihan Teknikal:

• Mengurangkan tahap penukaran berbanding transmisi AC; efisiensi keseluruhan 96%–98%

• Transformator DC terasing frekuensi tinggi dengan topologi siri-paralel fleksibel, sesuai untuk PV, penyimpanan, kuasa rel, produksi hidrogen/aluminium

• Platform mudah disesuaikan, disesuaikan untuk keperluan grid DC industri yang berbeza

(6) Optimalisasi Jaringan Distribusi

Peranti Interkoneksi Fleksibel Menengah dan Rendah:

• Menangani ketidakseimbangan beban, meningkatnya PV terdistribusi, ekspansi pengisi daya EV, dan peningkatan kebolehpercayaan

• Operasi biasa: interkoneksi grid asinkron dengan kawalan aliran daya aktif/reaktif, peningkatan integrasi tenaga pembaharuan, dan isolasi kualiti kuasa

• Kondisi rosak: isolasi cepat dan peralihan automatik untuk mencegah gangguan

Sistem Penyimpanan Energi Sambungan Langsung 10kV:

• Sambungan grid menengah/tinggi mengurangkan kerugian garis

• Penukaran dua tahap membolehkan kawalan voltan dalam lingkup luas

• Konfigurasi PCS dan bateri modular

• Kapasiti lebih fleksibel berbanding topologi jambatan H bertingkat, memastikan keselamatan isolasi bateri dan kawalan aliran kuasa lengkap

(7) Sambungan Grid di Sisi Penghasilan — Antara Muka Grid Fotovoltaik Sambungan Langsung 10kV

Ciri-ciri Teknikal:

• Isolasi frekuensi tinggi + topologi litar utama CHB bertingkat

• Kapasiti: N×315kVA (skalabel), output serasi dengan sistem 1500V, efisiensi >98.3%

Kelebihan Inti:

• Sambungan langsung menengah dengan DC-DC terasing melakukan MPPT (Pelacakan Titik Kuasa Maksimum) dan isolasi/kawalan voltan

• Arsitektur dua tahap ringkas, sangat efisien; menanggapi secara langsung permintaan grid pada tahap 10kV

• Sesuai untuk skenario PV terdistribusi industri, komersial, dan luar bandar

(8) Sisi Beban — Bekalan Kuasa Pusat Data Berdasarkan SST

Penyelesaian Sambungan Langsung 10kV:

• Kuasa 2.5MW (315kW × 8), efisiensi sistem 98.3%, menggunakan penukaran terasing frekuensi tinggi

• Rangkaian DC cincin 400VDC di sisi DC

• Kawalan PWM penuh mencapai faktor kuasa sisi grid >0.99, harmonik <3%

Outlook Masa Depan

Berpusat pada jaringan pengagihan AC/DC, meluas ke tenaga pembaharuan, pengangkutan, bekalan kuasa, pengurusan tenaga, dan perlindungan kesalahan, SST membolehkan penyelesaian sistem terintegrasi yang merangkumi:

• Bekalan kuasa hibrid AC/DC

• Integrasi sumber-grid-beban-penyimpanan

• Pengurusan tenaga dan pengaturcaraan aliran kuasa yang dioptimalkan
  Mendukung pembinaan sistem kuasa generasi seterusnya.

III. Cabaran Aplikasi dan Perbincangan

(1) Cabaran Kepatuhan Perlindungan Rele
Penelitian diperlukan tentang kepatuhan antara transformator elektronik kuasa dan sistem pengagihan tradisional, terutama untuk kesalahan pendek, tanah, dan terbuka. Strategi kawalan yang jelas semasa melewati kesalahan dan mekanisme koordinasi untuk perlindungan rele harus ditetapkan.

(2) Cabaran Integrasi Penjadwalan, Pengurusan, dan Pemantauan
Penggunaan meluas peralatan elektronik kuasa baru menimbulkan isu adaptasi dalam penjadwalan dan pemantauan, memerlukan penyelesaian untuk tiga keperluan inti:

• Peraturan Penjadwalan & Mekanisme Pasaran: Logik tradisional "sumber-mengikuti-beban" tidak dapat menampung interaksi "beban-sumber-grid" dwihala. Mekanisme pasaran aliran kuasa multidireksi harus dikembangkan.

• Standardisasi & Interoperabilitas: Protokol antara muka peranti yang berbeza menyebabkan interoperabilitas yang buruk antara vendor. Protokol komunikasi dan set perintah kawalan standard harus dipromosikan.

• Penjadwalan Koordinasi Antar Wilayah: Interkoneksi fleksibel memecahkan batasan zon tradisional. Kerangka alokasi tanggungjawab bersatu, perkongsian simpanan, dan penjadwalan koordinasi antar wilayah harus ditetapkan.

Cabaran ini memerlukan standar dan mekanisme pelaksanaan pemantauan yang bersatu untuk diselesaikan.