Technologia SST: Pełna analiza scenariuszy w zakresie generowania przesyłania dystrybucji i zużycia energii elektrycznej

I. Tło badawcze

Potrzeby transformacji systemu energetycznego

Zmiany w strukturze energii stawiają wyższe wymagania dla systemów energetycznych. Tradycyjne systemy energetyczne przechodzą do nowej generacji systemów energetycznych, z podstawowymi różnicami między nimi opisanymi poniżej:

II. Kluczowe Scenariusze Zastosowania Solid State Transformers (SST)

Na tle nowych systemów energetycznych, aktywne wsparcie, regulacja integracji sieci, elastyczne połączenie i interakcja popytu-podaż stały się kluczowymi wymaganiami dla uzupełniania energii w czasie i przestrzeni. SST przenikają wszystkie etapy — generację, transmisję, dystrybucję i zużycie — z konkretnymi zastosowaniami następującymi:

• Strona Generacji:Bezpośrednie połączone konwertery siatki, urządzenia formujące sieć, średnie napięcie DC transformers do integracji wiatru, słońca i magazynowania.

• Strona Transmisji:Średnie i wysokie napięcie DC dystrybucyjne transformery, elastyczne urządzenia DC łączności.

• Strona Dystrybucji:Średnie i niskie napięcie elastyczne jednostki łączenia, elastyczne dystrybucyjne elektroniczne transformery mocy (PET), DC transformery dla transportu elektrycznego.

• Strona Zużycia:DC zasilanie dla produkcji wodoru/alu, bezpośrednie systemy ładowania, bezpośrednie źródła zasilania centrów danych.

(1) Napęd Tramwajowy — 25kV PETT Napęd Tramwajowy

Systemy konwerterów oparte na SST są kluczowym sprzętem do budowy kolejnej generacji sieci energetycznych.

Kluczowe Przełomy Technologiczne:

• Konwersja topologii wysokoczęstotliwościowej o wysokiej izolacji i technologie wysokoczęstotliwościowego transformatora o dużej mocy

• Wysokie napięcie (bezpośrednie połączenie AC25kV) i technologia wysokiej izolacji w kompaktowym projekcie (wytrzymałość napięcia: 85kV/1min)

• Przystosowanie do środowisk o silnym uderzeniu i drganiach, efektywna chłodzenie fazowe

• Topologie konwersji wysokoczęstotliwościowej i wysokiej wydajności oraz techniki sterowania z gładkim przełączaniem

Wyniki Zastosowania:

• Zainstalowane i przetestowane na EMU 140 km/h w 2020 roku, wydając DC1800V

• Nominalna wydajność 96,7% (2% wyższa niż istniejące systemy), 20% wzrost gęstości mocy

• Pełna kontrola strony sieci umożliwia aktywne filtrowanie, kompensację reaktywnej mocy, zerowy prąd magnesujący i brak strat w trybie oczekiwania

• Pierwszy na świecie produkt 25kV-SST, który osiągnął dynamiczne testy montażu pojazdowego

(2) Zasilanie Komunikacji Miejskiej — Wielostanowiskowy Router Energetyczny dla Metra

Podstawowe Projektowanie:
Struktura czterostanowiskowa z izolacją obsługująca napęd, pomocnicze zasilanie, magazynowanie energii i integrację fotowoltaiki.

Kluczowe Technologie:

• Topologia obwodu LLC dwupoziomowego pełnego mostka oparta na IGBT

• Topologia obwodu DAB oparta na SiC z szeregowo-równoległym konfiguracją DC

• Technologia miękkiego przełączania urządzeń mocy (wydajność gałęzi ≥98,5%)

• Wspólny transformator 12-pulsowy podłączony do sieci AC, eliminujący prądy cyrkulacyjne przy równoległym połączeniu z prostownikami diodowymi

Zalety Zastosowania:

• Eliminuje grube regeneracyjne transformatory częstotliwości linii; mniejszy o 26% ślad, zmniejszając przestrzeń montażową i koszty budowy

• Brak strat bezobciążeniowych transformatora, umożliwia modernizację istniejących linii

• Integracja prostowania, zwrotu energii, kompensacji reaktywnej i filtracji harmonicznej dla precyzyjnego wielostanowiskowego sterowania przepływem mocy

(3) Ładowanie i Zamiana Baterii — 10kV Bezpośrednio Połączony SST dla Ładowania Pojazdów Elektrycznych

Konfiguracja Systemu:

• Bezpośrednie połączenie średniego napięcia 10kV, moc 1MVA: 1 moduł bezpośredniego ładowania + 2 moduły sieciowe wspólnej magistrali

• Skonfigurowany z 300kW ultra-szybkim ładowaniem i sześcioma 120kW szybkimi ładowarkami; zgodny z integracją PV-magazynowanie i połączenie ze średnią siecią napięcia

Kluczowe Funkcje:

• Integracja transformatora i modułów ładowania; szeroki zakres regulacji napięcia umożliwia bezpośrednie ładowanie, wydajność systemu ≥97% (szczyt 98,3%)

• Zapewnia wsparcie sieci i zarządzanie jakością zasilania, umożliwiając dwukierunkową interakcję V2G (pojazd-do-sieci) i G2V (sieć-do-pojazdu)

(4) Zasilanie Parku — Niskowęglowy Router Energetyczny Parku (Integracja PV-Magazyn-Ładowanie)

Architektura Systemu:
Router energetyczny bezpośrednio połączony 10kV oparty na SST, z portami AC10kV i DC750V, z magazynowaniem baterii, interfejsami ładowania DC i urządzeniami ochrony DC na stronie wyjściowej.

Podstawowa Konfiguracja:
Szafka SST 315kW, 976,12kWp PV, 0,5MW/1,3MWh magazynowania, 10 stacji ładowania DC.

Wartość Zastosowania:

• Obniża koszty energii poprzez generację PV i arbitraż szczytów magazynowania

• Obniża zapotrzebowanie na pojemność stacji, buforuje wpływ na sieć i oferuje doskonałą skalowalność

• Po stronie wyjściowej kombinacja „solid state DC circuit breaker + disconnect switch” zapewnia izolację awarii dla magazynów i stacji ładowania

(5) Integracja Odnawialnych Źródeł Energetycznych — Router Energetyczny DC/DC dla PV-na-Wodór

Podstawowe Parametry:

• 5MW izolowany konwerter DC/DC: wejście DC800–1500V, wyjście DC0–850V, podłączony do szyny elektrolizera wodoru

• Pojemność pojedynczej szafy: 3/6MVA, skalowalne od 3–20MVA; napięcie wyjściowe adaptowane do DC0–1300V/2000V

Techniczne Zalety:

• Redukuje etapy konwersji w porównaniu do transmisji AC; całkowita wydajność 96%–98%

• Wysokoczęstotliwościowe izolowane transformery DC z elastycznymi topologiami szeregowo-równoległymi, odpowiednie dla PV, magazynowania, zasilania kolejowego, produkcji wodoru/walu

• Modularna, konfigurowalna platforma dostosowana do różnorodnych potrzeb specyficznych dla branży sieci DC

(6) Optymalizacja Sieci Dystrybucyjnej

Elastyczne Urządzenie Łączenia Średniego i Niskiego Napięcia:

• Rozwiązuje problem nierównowagi obciążenia, rosnącej dystrybuowanej PV, ekspansji ładowarek EV i zwiększenia niezawodności

• Normalna operacja: asynchroniczne łączenie sieci z kontrolą przepływu aktywnej i reaktywnej mocy, lepsza integracja odnawialnych źródeł, izolacja jakości zasilania

• Stan awaryjny: szybka izolacja i automatyczna zmiana, aby zapobiec przerwom zasilania

System Magazynowania Energii Bezpośrednio Połączony 10kV:

• Połączenie ze średnią/wysoką siecią napięcia redukuje straty liniowe

• Dwustopniowa konwersja umożliwia szeroki zakres regulacji napięcia

• Modularna konfiguracja PCS i baterii

• Większa elastyczność pojemności w porównaniu do topologii kaskadowego mostka H, zapewniając bezpieczeństwo izolacji baterii i pełną kontrolę przepływu mocy

(7) Połączenie Sieci ze Strony Generacji — 10kV Bezpośrednio Połączony Nowy Interfejs Siatki Fotowoltaicznej

Cechy Techniczne:

• Wysokoczęstotliwościowa izolacja + topologia głównej obwodowej CHB

• Pojemność: N×315kVA (skalowalna), wyjście zgodne z systemami 1500V, wydajność >98,3%

Kluczowe Zalety:

• Bezpośrednie połączenie średniego napięcia z izolowanym DC-DC wykonującym MPPT (Śledzenie Maksymalnego Punkt