Технология SST: Полный сценарный анализ в области генерации передачи распределения и потребления электроэнергии

I. Исследовательский фон

Потребности в трансформации энергетических систем

Изменения в структуре энергетики предъявляют все более высокие требования к энергетическим системам. Традиционные энергетические системы переходят к новому поколению энергетических систем, ключевые различия между которыми представлены ниже:

Ⅱ.Основные сценарии применения твердотельных трансформаторов (SST)

На фоне новых энергетических систем активная поддержка, регулирование интеграции в сеть, гибкая взаимосвязь и взаимодействие спроса и предложения стали ключевыми требованиями для пространственно-временного комплементарного использования энергии. SST проникают на все этапы — генерация, передача, распределение и потребление, с конкретными приложениями следующего характера:

• Генерация: прямые преобразователи, подключенные к сети, оборудование для формирования сети, средневольтные DC-трансформаторы для интеграции ветряной, солнечной энергии и накопителей.

• Передача: средневольтные и высоковольтные DC-распределительные трансформаторы, устройства гибкой DC-взаимосвязи.

• Распределение: средневольтные и низковольтные гибкие устройства взаимосвязи, гибкие распределительные электронные трансформаторы (PET), DC-трансформаторы для электрического транспорта.

• Потребление: DC-источники питания для производства водорода/алюминия, прямые системы зарядки, прямые источники питания для центров обработки данных.

(1) Тяга железнодорожного транспорта — 25кВ тяговый PETT

Системы преобразования на основе SST являются ключевым оборудованием для создания сетей следующего поколения.

Ключевые технологические прорывы:

• Высокоизолированные технологии преобразования высокочастотной топологии и высокомощные высокочастотные трансформаторы

• Высокое напряжение (AC25кВ прямое подключение) и высокая изоляция при компактном дизайне (выдерживает напряжение: 85кВ/1 мин)

• Приспособленность к сильным ударам и вибрациям, эффективное фазовое охлаждение

• Высокочастотные, высокоэффективные топологии преобразования и методы управления, высокочастотное модулирующее управление с плавным переключением

Результаты применения:

• Установлено и протестировано на ЭМУ со скоростью 140 км/ч в 2020 году, выдает DC1800В

• Номинальная эффективность 96,7% (на 2% выше, чем у существующих систем), увеличение плотности мощности на 20%

• Полный контроль со стороны сети позволяет осуществлять активную фильтрацию, компенсацию реактивной мощности, нулевой магнитный пусковой ток и отсутствие потерь в режиме ожидания

• Первый в мире продукт 25кВ-SST, прошедший динамическое тестирование на борту

(2) Электроснабжение городского транспорта — многопортовый энергетический маршрутизатор для метрополитена

Основной дизайн:
Четырехпортовая изолированная структура, поддерживающая тяговую мощность, вспомогательную мощность, накопление энергии и интеграцию фотоэлектрических панелей.

Ключевые технологии:

• Двухуровневая топология полного моста LLC на основе IGBT

• Топология DAB на основе SiC с последовательно-параллельной конфигурацией DC

• Технология мягкого переключения для силовых устройств (эффективность ветви ≥98,5%)

• Общий 12-импульсный трансформатор, подключенный к AC-сети, исключающий циркуляционные токи при параллельной работе с диодными выпрямителями

Преимущества применения:

• Устраняет громоздкие линейные частотные регенеративные трансформаторы; площадь занимаемого пространства меньше на 26%, что снижает затраты на установку и строительство

• Отсутствие потерь холостого хода трансформатора, что позволяет модернизировать существующие линии

• Интеграция выпрямления, обратной подачи энергии, компенсации реактивной мощности и фильтрации гармоник для точного управления многопортовыми потоками мощности

(3) Зарядка и замена батарей — 10кВ прямое подключение SST для зарядки электромобилей

Конфигурация системы:

• Прямое подключение к среднему напряжению 10кВ, мощность 1МВА: 1 модуль прямой зарядки + 2 модуля сетевого подключения

• Конфигурация с ультрабыстрой зарядкой 300кВт и шестью быстрыми зарядками 120кВт; совместимость с интеграцией фотоэлектрических панелей и накопителей, а также подключением к среднему напряжению

Основные функции:

• Интеграция трансформатора и модулей зарядки; широкий диапазон регулирования напряжения обеспечивает прямую зарядку, эффективность системы ≥97% (пик 98,3%)

• Обеспечивает поддержку сети и управление качеством электроэнергии, позволяя двунаправленное взаимодействие V2G (автомобиль-сеть) и G2V (сеть-автомобиль)

(4) Электроснабжение парков — энергетический маршрутизатор с низким уровнем углеродных выбросов (интеграция фотоэлектрических панелей, накопителей и зарядки)

Архитектура системы:
Энергетический маршрутизатор с прямым подключением 10кВ на основе SST, имеющий порты AC10кВ и DC750В, с аккумуляторными батареями, интерфейсами DC-зарядки и устройствами защиты DC на выходе.

Основная конфигурация:
Шкаф SST мощностью 315кВт, 976,12кВп фотоэлектрических панелей, система накопления энергии 0,5МВт/1,3МВт*ч, 10 станций DC-зарядки.

Ценность применения:

• Снижает затраты на электроэнергию за счет генерации с помощью солнечных батарей и арбитража пиковых нагрузок с использованием накопителей энергии

• Уменьшает потребность в мощности станции, снижает воздействие на сеть и обеспечивает отличную масштабируемость

• Комбинация "твердотельного DC выключателя + разъединителя" на выходной стороне обеспечивает изоляцию неисправностей для систем хранения и зарядки

(5) Интеграция возобновляемых источников энергии — DC/DC энергетический маршрутизатор для преобразования солнечной энергии в водород

Основные параметры:

• Изолированный DC/DC преобразователь мощностью 5 МВт: входное напряжение DC800–1500 В, выходное напряжение DC0–850 В, подключен к шинам электролизера водорода

• Емкость одного шкафа: 3/6 МВА, масштабируемая от 3 до 20 МВА; выходное напряжение может быть адаптировано к DC0–1300 В/2000 В

Технические преимущества:

• Снижает количество стадий преобразования по сравнению с передачей по переменному току; общая эффективность 96%–98%

• Высокочастотные изолированные DC-трансформаторы с гибкими последовательно-параллельными топологиями, подходящие для солнечных батарей, систем хранения, железнодорожного питания, производства водорода/алюминия

• Модульная, конфигурируемая платформа, адаптированная к различным отраслевым потребностям в постоянном токе

(6) Оптимизация распределительной сети

Гибкое устройство взаимосвязи среднего и низкого напряжения:

• Решает проблемы дисбаланса нагрузки, увеличения распределенных солнечных батарей, расширения зарядных станций для электромобилей и повышения надежности

• В нормальном режиме работы: асинхронное соединение с сетью с контролем активной/реактивной мощности, улучшенной интеграцией возобновляемых источников энергии и изоляцией качества электроэнергии

• При возникновении неисправности: быстрая изоляция и автоматическое переключение для предотвращения отключений

Система хранения энергии с прямым подключением 10 кВ:

• Подключение к сети среднего и высокого напряжения снижает потери в линиях

• Двухступенчатое преобразование позволяет регулировать напряжение в широком диапазоне

• Модульная конфигурация PCS и аккумуляторов

• Более гибкая емкость по сравнению с каскадной H-мостовой топологией, обеспечивающая безопасность изоляции аккумуляторов и полный контроль потока энергии

(7) Подключение к сети со стороны генерации — новый интерфейс прямого подключения солнечных батарей 10 кВ

Технические характеристики:

• Высокочастотная изоляция + каскадная CHB основная схема

• Емкость: N×315 кВА (масштабируемая), выход совместим с системами 1500 В, эффективность >98.3%

Основные преимущества:

• Прямое подключение к сети среднего напряжения с использованием изолированного DC-DC преобразователя, выполняющего MPPT (трекинг точки максимальной мощности) и изоляцию/регулировку напряжения

• Упрощенная двухступенчатая архитектура, высокая эффективность; непосредственное реагирование на требования сети на уровне 10 кВ

• Применимо в промышленных, коммерческих и сельских распределенных солнечных сценариях

(8) Сторона нагрузки — питание центра обработки данных на основе SST

Решение прямого подключения 10 кВ:

• Мощность 2,5 МВт (315 кВт × 8), эффективность системы 98,3%, использование высокочастотного изолированного преобразования

• DC-кольцевая сеть 400 В на стороне постоянного тока

• Полный PWM-контроль обеспечивает коэффициент мощности >0,99 на стороне сети, гармоники <3%

Перспективы

На основе AC/DC распределительных сетей, охватывающих возобновляемые источники энергии, транспорт, питание, управление энергией и защиту от неисправностей, SST обеспечивают комплексное системное решение, включающее:

• Гибридное питание AC/DC

• Интеграцию источника, сети, нагрузки и хранения

• Оптимизированное управление энергией и диспетчеризацию потоков энергии
  Поддержка строительства следующего поколения энергетических систем.

III. Проблемы применения и обсуждение

(1) Проблема совместимости релейной защиты
Необходимо провести исследования по совместимости силовых электронных трансформаторов с традиционными распределительными системами, особенно в случае короткого замыкания, заземления и обрывов. Необходимо установить четкие стратегии управления при прохождении неисправностей и механизмы координации релейной защиты.

(2) Проблемы интеграции диспетчеризации, управления и мониторинга
Широкое внедрение нового силового электронного оборудования вызывает вопросы адаптации в диспетчеризации и мониторинге, требующие решения трех ключевых потребностей:

• • Правила диспетчеризации и рыночные механизмы: традиционная логика «источник следует за нагрузкой» не может обеспечить двунаправленное взаимодействие «нагрузка-источник-сеть». Необходимо разработать многонаправленные рыночные механизмы потоков энергии.

  • Стандартизация и взаимодействие: разнообразие протоколов интерфейсов устройств приводит к низкой совместимости между поставщиками. Необходимо продвигать стандартизованные протоколы связи и наборы команд управления.

  • Согласованная диспетчеризация в межрегиональном масштабе: гибкая взаимосвязь нарушает традиционные зональные границы. Необходимо создать единые механизмы распределения ответственности, обмена резервами и согласованной диспетчеризации в межрегиональном масштабе.

  Эти вызовы требуют унифицированных стандартов и механизмов мониторинга выполнения для их решения.