Tecnologia SST: Análise Completa de Cenários na Geração Transmissão Distribuição e Consumo de Energia

I. Contexto de Pesquisa

Necessidades de Transformação do Sistema de Energia

As mudanças na estrutura energética estão impondo maiores exigências aos sistemas de energia. Os sistemas de energia tradicionais estão se transformando em novos sistemas de energia, com as principais diferenças entre eles descritas a seguir:

Ⅱ.Cenários de Aplicação Central dos Transformadores de Estado Sólido (SST)

No contexto dos novos sistemas de energia, o suporte ativo, a regulação da integração à rede, a interconexão flexível e a interação de oferta e demanda tornaram-se requisitos-chave para a complementariedade energética espacial e temporal. Os SSTs permeiam todas as etapas—geração, transmissão, distribuição e consumo—com aplicações específicas como segue:

• Lado de Geração: Conversores conectados diretamente à rede, equipamentos formadores de rede, transformadores de corrente contínua de média tensão para integração de vento, solar e armazenamento.

• Lado de Transmissão: Transformadores de distribuição de corrente contínua de média e alta tensão, dispositivos de interconexão DC flexíveis.

• Lado de Distribuição: Unidades de interconexão flexível de média e baixa tensão, transformadores eletrônicos de potência (PET) flexíveis de distribuição, transformadores de corrente contínua para transporte eletrificado.

• Lado de Consumo: Fontes de alimentação de corrente contínua para produção de hidrogênio/alumínio, sistemas de carregamento conectados diretamente, fontes de energia de centros de dados conectadas diretamente.

(1) Tração de Trânsito Ferroviário — PETT de 25kV

Os sistemas conversores baseados em SST são equipamentos centrais para a construção de redes de energia de próxima geração.

Principais Avanços Tecnológicos:

• Conversão de topologia de alta frequência de alta isolamento e tecnologias de transformador de alta potência de alta frequência

• Alta tensão (AC25kV conexão direta) e tecnologia de alta isolamento em design compacto (tensão de resistência: 85kV/1min)

• Adaptação a ambientes de forte impacto e vibração, resfriamento eficiente de mudança de fase

• Topologias e técnicas de condução de alta frequência, alta eficiência, controle de modulação de alta frequência com comutação suave

Resultados de Aplicação:

• Instalado e testado em um EMU de 140 km/h em 2020, fornecendo DC1800V

• Eficiência nominal de 96,7% (2% superior aos sistemas existentes), aumento de 20% na densidade de potência

• Lado da rede totalmente controlado permite filtragem ativa, compensação de reativa, corrente de inrush de magnetização zero e sem perdas em espera

• Primeiro produto 25kV-SST do mundo a alcançar teste dinâmico a bordo de veículo

(2) Fornecimento de Energia para Trânsito Urbano — Roteador de Energia Multiporta para Sistemas de Metrô

Design Central:
Estrutura isolada de quatro portas que suporta potência de tração, potência auxiliar, armazenamento de energia e integração de PV.

Tecnologias Chave:

• Topologia de circuito LLC de dois níveis baseada em IGBTs

• Topologia de circuito DAB baseada em SiC com configuração DC em série-paralelo

• Tecnologia de comutação suave para dispositivos de potência (eficiência de ramo ≥98,5%)

• Transformador compartilhado de 12 pulsos conectado à rede AC, eliminando correntes circulantes quando paralelizado com retificadores de diodo

Vantagens de Aplicação:

• Elimina transformadores regenerativos de linha volumosos; 26% menor pegada, reduzindo espaço de instalação e custos de construção

• Sem perdas de carga do transformador, permitindo a reforma de linhas existentes

• Integra retificação, feedback de energia, compensação reativa e filtragem harmônica para controle preciso de fluxo de potência multiporta

(3) Carregamento e Troca de Bateria — SST de 10kV Conectado Diretamente para Carregamento de VE

Configuração do Sistema:

• Conexão direta de média tensão de 10kV, capacidade de 1MVA: 1 módulo de carregamento direto + 2 módulos de rede de barramento compartilhado

• Configurado com carregamento ultra-rápido de 300kW e seis carregadores rápidos de 120kW; compatível com integração de PV-armazenamento e conexão de rede de média tensão

Funções Centrais:

• Integra transformador e módulos de carregamento; regulação de tensão de ampla faixa permite carregamento direto, eficiência do sistema ≥97% (pico 98,3%)

• Fornece suporte à rede e gerenciamento de qualidade de energia, permitindo interação bidirecional V2G (veículo para rede) e G2V (rede para veículo)

(4) Fornecimento de Energia para Parques — Roteador de Energia de Baixo Carbono para Parques (Integração PV-Armazenamento-Carregamento)

Arquitetura do Sistema:
Roteador de energia conectado diretamente de 10kV baseado em SST, com portas AC10kV e DC750V, com armazenamento de bateria, interfaces de carregamento DC e dispositivos de proteção DC no lado de saída.

Configuração Central:
Gabinete SST de 315kW, 976,12kWp PV, armazenamento de energia de 0,5MW/1,3MWh, 10 estações de carregamento DC.

Valor de Aplicação:

• Reduz os custos de energia através da geração de PV e arbitragem de pico de armazenamento de energia

• Reduz a demanda de capacidade da estação, amortiza o impacto na rede e oferece excelente escalabilidade

• Combinação "disjuntor DC de estado sólido + interruptor de desligamento" no lado de saída garante isolamento de falhas para armazenamento e estações de carregamento

(5) Integração de Energias Renováveis — Roteador de Energia DC/DC para PV-Hidrogênio

Parâmetros Centrais:

• Conversor DC/DC isolado de 5MW: entrada DC800–1500V, saída DC0–850V, conectado ao barramento do eletrolisador de hidrogênio

• Capacidade de um gabinete: 3/6MVA, escalável de 3–20MVA; tensão de saída adaptável a DC0–1300V/2000V

Vantagens Técnicas:

• Reduz as etapas de conversão em comparação com a transmissão AC; eficiência geral 96%–98%

• Transformadores DC de alta frequência isolados com topologias flexíveis em série-paralelo, adequados para PV, armazenamento, energia ferroviária, produção de hidrogênio/alumínio

• Plataforma modular e configurável adaptada às necessidades específicas de indústria de redes DC diversificadas

(6) Otimização da Rede de Distribuição

Dispositivo de Interconexão Flexível de Média e Baixa Tensão:

• Aborda desequilíbrio de carga, aumento de PV distribuído, expansão de carregadores de VE e melhoria da confiabilidade

• Operação normal: interconexão assíncrona da rede com controle de fluxo de potência ativa/reativa, melhora da integração de renováveis e isolamento da qualidade de energia

• Condição de falha: isolamento rápido e troca automática para prevenir interrupções

Sistema de Armazenamento de Energia Conectado Diretamente de 10kV:

• Conexão de rede de média e alta tensão reduz perdas de linha

• Conversão em duas etapas permite regulação de tensão de ampla faixa

• Configuração modular de PCS e bateria

• Capacidade mais flexível em comparação com a topologia de ponte H em cascata, garantindo segurança de isolamento da bateria e controle de fluxo de potência completo

(7) Conexão à Rede do Lado de Geração — Nova Interface de Rede Fotovoltaica Conectada Diretamente de 10kV

Características Técnicas:

• Isolamento de alta frequência + topologia de circuito principal CHB em cascata

• Capacidade: N×315kVA (escalável), saída compatível com sistemas de 1500V, eficiência >98,3%

Vantagens Centrais:

• Conexão direta de média tensão com DC-DC isolado realizando MPPT (Rastreamento do Ponto de Potência Máxima) e isolamento/regulação de tensão

• Arquitetura simplificada em duas etapas, altamente eficiente; responde diretamente às demandas da rede no nível de 10kV

• Aplicável a cenários de PV distribuído industrial, comercial e rural

(8) Lado da Carga — Fornecimento de Energia para Data Centers Baseado em SST

Solução de Conexão Direta de 10kV:

• Potência de 2,5MW (315kW × 8), eficiência do sistema 98,3%, usando conversão de alta frequência isolada

• Rede DC de anel de 400VDC no lado DC

• Controle PWM total alcança fator de potência >0,99, harmônicos <3%

Perspectivas Futuras

Centrado em redes de distribuição AC/DC, estendendo-se a renováveis, transporte, fornecimento de energia, gerenciamento de energia e proteção contra falhas, os SSTs permitem uma solução de sistema integrada que abrange:

• Fornecimento de energia híbrida AC/DC

• Integração de fonte-rede-carga-armazenamento

• Gerenciamento de energia otimizado e despacho de fluxo de potência
  Apoiando a construção de sistemas de energia de próxima geração.

III. Desafios de Aplicação e Discussão

(1) Desafio de Compatibilidade de Proteção por Relé
Precisa-se de pesquisa sobre a compatibilidade entre transformadores eletrônicos de potência e sistemas de distribuição tradicionais, especialmente para falhas de curto-circuito, terra e circuito aberto. Devem ser estabelecidas estratégias claras de controle durante a passagem de falhas e mecanismos de coordenação para proteção por relé.

(2) Desafios de Integração de Despacho, Gerenciamento e Monitoramento
A adoção generalizada de novos equipamentos eletrônicos de potência levanta questões de adaptação no despacho e monitoramento, exigindo soluções para três necessidades centrais:

• Regras de Despacho & Mecanismos de Mercado: A lógica tradicional de "fonte segue carga" não pode acomodar interações bidirecionais "carga-fonte-rede". Devem ser desenvolvidos mecanismos de mercado para fluxo de potência multidirecional.

• Padronização & Interoperabilidade: Diversos protocolos de interface de dispositivo levam a baixa interoperabilidade entre fornecedores. Devem ser promovidos protocolos de comunicação padronizados e conjuntos de comandos de controle.

• Despacho Coordenado Interestadual: A interconexão flexível quebra as fronteiras de zonas tradicionais. Devem ser estabelecidos quadros de alocação unificada de responsabilidades, compartilhamento de reserva e despacho coordenado interestadual.

Esses desafios requerem padrões unificados e mecanismos de execução de monitoramento para resolução.