SST-technologie: Volledige scenario-analyse in elektriciteitsopwekking overdracht distributie en consumptie

I. Onderzoeksachtergrond

Behoefte aan Transformatie van Energiestelsels

Veranderingen in de energiestructuur stellen hogere eisen aan elektriciteitsnetwerken. Traditionele elektriciteitsnetwerken evolueren naar nieuwgeneratie elektriciteitsnetwerken, met als kernverschillen:

Ⅱ.Kern Toepassingsscenario's voor Solid-State Transformers (SST)

In het kader van nieuwe elektriciteitsnetwerken zijn actieve ondersteuning, netwerkintegratie, flexibele verbinding en vraag-aanbodinteractie belangrijke vereisten voor tijdsruimtelijke energiecomplementariteit. SST's doordringen alle fases—productie, transmissie, distributie en consumptie—met specifieke toepassingen als volgt:

• Productiezijde: Direct aangesloten grid-to-grid converters, grid-forming apparatuur, middenspannings DC-transformators voor integratie van wind, zon en opslag.

• Transmissiezijde: Middel- en hoogspannings DC-distributietransformators, flexibele DC-verbindingsapparatuur.

• Distributiezijde: Middel- en laagspannings flexibele verbindingsunits, flexibele distributiekracht elektronische transformators (PET), DC-transformators voor geëlektrificeerde vervoersmiddelen.

• Consumptiezijde: DC-voeding voor waterstof/aluminiumproductie, direct aangesloten laadsystemen, direct aangesloten datacenter voeding.

(1) Spoorwegtraktie — 25kV Traktie PETT

SST-gebaseerde converter systemen zijn kernapparatuur voor het bouwen van volgende generatie elektriciteitsnetwerken.

Kern Technologische Doorbraken:

• Hoog-isolerende hoogfrequente topologie conversie en hoge vermogens hoogfrequente transformator technologieën

• Hoogspanning (AC25kV directe verbinding) en hoge isolatietechnologie onder compacte ontwerp (spanningsweerstand: 85kV/1min)

• Aangepast aan sterke schok- en trillingomgevingen, efficiënte faseveranderingskoeling

• Hoogfrequente, hoge-efficiëntie conversietopologieën en sturingstechnieken, hoogfrequente modulatiecontrole met soepele schakeling

Toepassingsresultaten:

• Geïnstalleerd en getest op een 140 km/u EMU in 2020, uitgang DC1800V

• Genoteerde efficiëntie van 96,7% (2% hoger dan bestaande systemen), 20% toename in vermogsdichtheid

• Volledig gecontroleerde netzijde stelt actieve filtering, reactieve vermogenscompensatie, nul magnetiseringssnelheid en geen stand-byverliezen mogelijk

• Werelds eerste 25kV-SST product dat voertuiggebonden dynamische tests heeft bereikt

(2) Stedelijke Spoorwegvoeding — Multi-poort Energerouter voor Metrosystemen

Kernontwerp:
Vierpoort geïsoleerde structuur die tractievoeding, hulpvoeding, energieopslag en PV-integratie ondersteunt.

Kern Technologieën:

• Tweepolaire full-bridge LLC-schakeltopologie gebaseerd op IGBT's

• SiC-gebaseerde DAB-schakeltopologie met serieparallel DC-configuratie

• Zachte schakeltechnologie voor krachtapparatuur (tak efficiëntie ≥98,5%)

• Gedeelde 12-puls transformer verbonden met AC-netwerk, elimineert circulerende stroom bij parallelle diode rectifiers

Toepassingsvoordelen:

• Elimineert grote lijnfrequente regeneratieve transformators; 26% kleiner oppervlakte, vermindert installatieplaats en bouwkosten

• Geen lege transformatorverliezen, stelt retrofitten van bestaande lijnen mogelijk

• Integreert rectificatie, energiefeedback, reactieve compensatie en harmonische filtering voor nauwkeurige multi-poort stroomregeling

(3) Laden & Batterijwissel — 10kV Direct Aangesloten SST voor EV-Laden

Systeemconfiguratie:

• 10kV middenspannings directe verbinding, 1MVA capaciteit: 1 direct-lademodule + 2 gedeelde bus netwerkmodules

• Geconfigureerd met 300kW ultra-snel laden en zes 120kW snelle laders; compatibel met PV-opslagintegratie en middenspanningsnetverbinding

Kernfuncties:

• Integreert transformator en lademodules; breed spanningsregelbereik stelt directe lading mogelijk, systeemefficiëntie ≥97% (piek 98,3%)

• Biedt netondersteuning en kwaliteitsbeheer, stelt bidirectionele V2G (vehicle-to-grid) en G2V (grid-to-vehicle) interactie mogelijk

(4) Parkvoeding — Laag-CO2 Park Energerouter (PV-Opslag-Lad Integratie)

Systeemarchitectuur:
10kV direct aangesloten energerouter gebaseerd op SST, met AC10kV en DC750V poorten, met batterijopslag, DC-laadinterfaces en DC-beveiligingsapparatuur aan de uitgangszijde.

Kernconfiguratie:
315kW SST-kast, 976,12kWp PV, 0,5MW/1,3MWh energieopslag, 10 DC-ladstations.

Toepassingswaarde:

• Reduceert elektriciteitskosten door PV-productie en energieopslag piek-scherping arbitrage

• Vermindert stationcapaciteitseisen, bufferd netwerkimpact en biedt uitstekende schaalbaarheid

• Uitgangszijde "solid-state DC-circuitbreker + disconnect switch" combinatie zorgt voor foutisolatie voor opslag en ladstations

(5) Integratie van hernieuwbare energie — DC/DC Energerouter voor PV-naar-waterstof

Kernparameters:

• 5MW geïsoleerde DC/DC-converter: ingang DC800–1500V, uitgang DC0–850V, verbonden met waterstof electrolyser busbar

• Capaciteit per kast: 3/6MVA, schaalbaar van 3–20MVA; uitgangsspanning aanpasbaar tot DC0–1300V/2000V

Technische Voordelen:

• Reduceert conversiestadia ten opzichte van AC-overdracht; totale efficiëntie 96%–98%

• Hoogfrequente geïsoleerde DC-transformators met flexibele serieparallel topologieën, geschikt voor PV, opslag, spoorwegenergie, waterstof/aluminiumproductie

• Modulaire, configureerbare platform aangepast aan diverse industrie-specifieke DC-netwerkbehoeften

(6) Optimalisatie van Distributienetwerk

Middel- en Laagspannings Flexibele Verbindingsapparaat:

• Adresloadevenwicht, stijgende gedistribueerde PV, expansie van EV-laders, en betrouwbaarheidsverbetering

• Normale werking: asynchrone netwerkverbinding met actieve/reactieve stroomregeling, verbeterde hernieuwbare integratie, en kwaliteitsisolatie

• Foutconditie: snelle isolatie en automatische overschakeling om uitval te voorkomen

10kV Direct Aangesloten Energieopslagsysteem:

• Middel/hogespanningsnetwerkverbinding vermindert lijnverliezen

• Tweephasige conversie stelt breed spanningsregelbereik mogelijk

• Modulaire PCS- en batterijconfiguratie

• Flexibeler capaciteit vergeleken met gekoppelde H-brugtopologie, zorgt voor batterijisolaties veiligheid en volledige keten stroomregeling

(7) Netwerkverbinding aan Productiezijde — 10kV Direct Aangesloten Fotovoltaïsche Nieuwe Grid Interface

Technische Kenmerken:

• Hoogfrequente isolatie + gekoppelde CHB hoofdschakeltopologie

• Capaciteit: N×315kVA (schaalbaar), uitgang compatibel met 1500V systemen, efficiëntie >98,3%

Kernvoordelen:

• Middenspanningsdirecte verbinding met geïsoleerde DC-DC uitvoerend MPPT (Maximum Power Point Tracking) en isolatie/spanningsregeling

• Vereenvoudigde tweefasige architectuur, zeer efficiënt; reageert direct op netwerkvereisten op 10kV-niveau

• Toepasbaar op industriële, commerciële en landelijke gedistribueerde PV-scenario's

(8) Lastzijde — Datacentrumvoeding Gebaseerd op SST

10kV Direct Aangesloten Oplossing:

• 2,5MW vermogen (315kW × 8), systeemefficiëntie 98,3%, gebruikmakend van hoogfrequente geïsoleerde conversie

• 400VDC DC ringnetwerk aan DC-zijde

• Volledige PWM-sturing bereikt netzijde vermogensfactor >0,99, harmonischen <3%

Toekomstperspectief

Gecentreerd rond AC/DC-distributienetwerken, uitgebreid naar hernieuwbare energie, vervoer, energievoorziening, energiebeheer en foutbescherming, maken SST's een geïntegreerde systeemoplossing mogelijk die omvat:

• AC/DC hybride energievoorziening

• Source-grid-load-opslagintegratie

• Geoptimaliseerd energiebeheer en stroomregeling
  Ondersteuning bij de bouw van volgende generatie elektriciteitsnetwerken.

III. Toepassingsuitdagingen en Discussie

(1) Uitdaging van Relay Protection Compatibiliteit
Onderzoek is nodig naar de compatibiliteit tussen elektronische transformators en traditionele distributiesystemen, vooral voor kortsluiting, aarding en open circuit fouten. Duidelijke controlestrategieën tijdens foutoverbrugging en coördinatie-mechanismen voor relaisbescherming moeten worden vastgesteld.

(2) Uitdagingen van Dispatch, Beheer en Monitoring Integratie
De wijdverspreide adoptie van nieuwe elektronische apparatuur brengt aanpassingsproblemen in dispatch en monitoring met zich mee, waardoor oplossingen nodig zijn voor drie kernbehoeften:

• Dispatch Regels & Marktmecanismen: De traditionele “source-follows-load” logica kan geen meerdere richtingen “load-source-grid” interacties ondersteunen. Meerdere richtingen stroommarktmechanismen moeten worden ontwikkeld.

• Standardisering & Interoperabiliteit: Verschillende apparaatinterfaceprotocollen leiden tot slechte interoperabiliteit tussen leveranciers. Gestandaardiseerde communicatieprotocollen en beheercommandosets moeten worden bevorderd.

• Cross-regionaal Coördineerde Dispatch: Flexibele interconnectie breekt traditionele zonegrenzen. Een uniforme verantwoordelijkheidsallocatie, reserveringdeling en cross-regionaal coördineerde dispatchframeworks moeten worden opgesteld.

Deze uitdagingen vereisen unieke standaarden en monitoring uitvoeringsmechanismen om opgelost te worden.