SST Technology: Celostna analiza v proizvodnji distribuciji in porabi električne energije

I. Raziskovalno ozadje

Potrebe za preoblikovanjem sistema za oskrbo s strujom

Spremembe v strukturi energije postavljajo višje zahteve na sisteme za oskrbo s strujom. Tradicionalni sistemi za oskrbo s strujom se prenašajo na nove generacije sistemov za oskrbo s strujom, njihove ključne razlike so opredeljene kot sledi:

Ⅱ.Osnovni uporabni scenariji tranzistorjev s trdnim stanjem (SST)

V kontekstu novih elektroenergetskih sistemov so aktivna podpora, regulacija povezave z omrežjem, prilagodljiva povezanost in interakcija med ponudbo in povpraševanjem postali ključne zahteve za prostorsko-časovno komplementarnost energije. SST se ujema v vse faze - proizvodnjo, prenos, distribucijo in porabo, z naslednjimi specifičnimi uporabami:

• Na strani proizvodnje: neposredno povezani pretvorniki, oprema za oblikovanje omrežja, srednjonapetostni DC pretvorniki za integracijo vetra, sončne energije in shranjevanja.

• Na strani prenosa: srednjega in visokega napetosti DC distribucijski pretvorniki, prilagodljivi DC povezovalni napravi.

• Na strani distribucije: srednjega in nizkega napetosti prilagodljivi povezovalni enote, prilagodljivi distribucijski elektronski pretvorniki (PET), DC pretvorniki za električni promet.

• Na strani porabe: DC viri za proizvodnjo vodika/almunija, neposredno povezane nabiralne sistemi, neposredno povezani viri za podatkovne centre.

(1) Vlečna sila železnic — 25kV vlečni PETT

SST temeljene pretvorne sistemi so ključna oprema za gradnjo naslednje generacije elektroenergetskih omrežij.

Ključne tehnološke napredek:

• Visokozazemljitev visoko frekvenčnih topologij in tehnologije visoko močnih visoko frekvenčnih pretvornikov

• Visoka napetost (AC25kV neposredna povezava) in visoka izolacijska tehnologija pri kompaktnem dizajnu (prevladujoča napetost: 85kV/1min)

• Prilagoditev okolju s krepkimi udarci in vibracijami, učinkova fazna hlačenja

• Visoko frekvenčne, visoko učinkove topologije in pogonske tehnike, visoko frekvenčna modulacijska nadzor z gladkim preklopom

Rezultati uporabe:

• Nameščeni in testirani na EMU s hitrostjo 140 km/h leta 2020, izhod DC1800V

• Nominativna učinkovitost 96,7% (2% višja od obstoječih sistemov), 20% povečanje gostote moči

• Poln nadzor strani omrežja omogoča aktivno filtriranje, nadomestilo reaktivne moči, ničelna magnetizacijska počutna struja in brez pripravnih izgub

• Prvi na svetu 25kV-SST izdelek, ki je dosegel dinamično testiranje na vozilu

(2) Energetska oskrba mestne železnice — Večportni energetski usmerjevalnik za metropske sisteme

Osnovni dizajn:
Štiriportni izolirani struktura, ki podpira vlečno moč, pomočno moč, shranjevanje energije in integracijo fotovoltaik.

Ključne tehnologije:

• Dvo-nivojska polna mostna LLC vezja topologija na osnovi IGBT-jev

• SiC temeljena DAB vezja topologija z zaporedno-paralelnim DC konfiguracijo

• Težnja tehnologija za naprave (razdelna učinkovitost ≥98,5%)

• Skupni 12-pulsni pretvornik, povezan z AC omrežjem, eliminira cirkulirajoče tokove, ko je vzporedno s diodnimi rectifierji

Prednosti uporabe:

• Eliminira gršeče linearno frekvenčne regenerativne pretvornike; 26% manjša površina, zmanjšuje prostor za namestitev in stroške gradnje

• Ni brezobremenih izgub pretvornika, omogoča modernizacijo obstoječih linij

• Integrira pravokotno, energijo nazaj, nadomestilo reaktivne moči in harmonično filtriranje za točen večportni nadzor pretoka energije

(3) Nalaganje & zamenjava baterij — 10kV neposredno povezan SST za nalaganje EV

Konfiguracija sistema:

• 10kV srednje napetostni neposredni povezave, kapaciteta 1MVA: 1 neposredni nabiralni modul + 2 skupne bus networking module

• Konfiguriran s 300kW ultra hitrim nabiranjem in šestimi 120kW hitrih nabiralnikom; združljiv z integracijo fotovoltaik-shranjevanje in srednje napetostni povezavo z omrežjem

Osnovne funkcije:

• Integrira pretvornik in nabiralne module; širok spekter regulacije napetosti omogoča neposredno nabiranje, učinkovitost sistema ≥97% (vrh 98,3%)

• Ponuja podporo omrežju in upravljanje kakovosti energije, omogoča dvosmerne V2G (vozilo-do-omrežja) in G2V (omrežje-do-vozila) interakcije

(4) Oskrba parka z energijo — Nizek ogljikov odtis energetski usmerjevalnik (integracija fotovoltaik-shranjevanje-nalaganje)

Arhitektura sistema:
10kV neposredno povezani energetski usmerjevalnik na osnovi SST, z vratici AC10kV in DC750V, z baterijskim shranjevanjem, DC nabiralnimi vratami in DC zaščitnimi napravami na izhodni strani.

Osnovna konfiguracija:
315kW SST kabinet, 976,12kWp fotovoltaik, 0,5MW/1,3MWh shranjevanje energije, 10 DC nabiralnih stanic.

Vrednost uporabe:

• Znižuje stroške električne energije preko proizvodnje s fotovoltaikami in shranjevanja energije ter arbitraže vrhunskih obremenitev

• Zmanjšuje zahtevan kapacitet postaje, zmanjšuje vpliv na omrežje in ponuja odlično merljivost

• Kombinacija "trdnega stanja DC preklopnika + preklopnika" na strani izhoda zagotavlja izolacijo napak za shrambe in nabiralne postaje

(5) Integracija obnovljivih virov energije — DC/DC usmerjevalnik energije za pretvorbo fotovoltaik v vodik

Osnovni parametri:

• 5 MW izolirani DC/DC pretvornik: vhod DC800–1500V, izhod DC0–850V, povezan s šiničnico za razlaganje vodika

• Kapaciteta enega kabinetа: 3/6 MVA, merljivo od 3 do 20 MVA; izhodna napetost prilagodljiva na DC0–1300V/2000V

Tehnični prednosti:

• Zmanjšuje faze pretvorbe glede na pretok AC; skupna učinkovitost 96%–98%

• Visoko frekvenčni izolirani DC transformatorji z giblji topologijo serijno-paralelne vezave, primernejši za fotovoltaike, shrambe, železniško energijo, proizvodnjo vodika/aluminija

• Modularna, konfigurabilna platforma prilagojena raznolikim industrijskim potrebam specifičnih DC omrežij

(6) Optimizacija distribucijskega omrežja

Srednje- in nizkonapetostni fleksibilni povezovalni napravi:

• Razrešuje neravnotežje obremenitve, rast distribuirane proizvodnje s fotovoltaiki, širjenje nabiralnih stanic za električna vozila in izboljšanje zanesljivosti

• Normalno delovanje: asinhrona povezava s strmiom z nadzorom pretoka aktivne/reaktivne moči, izboljšana integracija obnovljive energije in izolacija kakovosti energije

• V primeru napake: hitra izolacija in avtomatska preklopna operacija za preprečevanje prekinitve oskrbe

10 kV neposredno povezana shramba energije:

• Povezava s srednje/viškenapetostnim omrežjem zmanjšuje izgube v črti

• Dvostopenjska pretvorba omogoča regulacijo širokog spektra napetosti

• Modularna konfiguracija PCS in baterij

• Boljša merljivost kapacitete v primerjavi s kaskadno H-mostovno topologijo, ki zagotavlja varnost izolacije baterij in nadzor pretoka energije v celotni verigi

(7) Povezava s strani proizvodnje — 10 kV neposredno povezana novi fotovoltaična povezava s strani omrežja

Tehnične značilnosti:

• Visoko frekvenčna izolacija + kaskadna CHB glavna vezna topologija

• Kapaciteta: N×315 kVA (merljivo), izhod kompatibilnost s sistemi 1500 V, učinkovitost >98.3%

Osnovne prednosti:

• Neposredna povezava s srednjonapetostnim omrežjem z izoliranim DC-DC izvajanjem MPPT (Maximum Power Point Tracking) in izolacijo/regulacijo napetosti

• Poenostavljena dvostopenjska arhitektura, zelo učinkovita; neposredno odgovarja zahtevam omrežja na ravni 10 kV

• Uporabna za industrijske, trgovinske in podeželske distribuirane fotovoltaične scenarije

(8) Stran obremenitve — Oskrba s strmo energijo za podatkovne centre na osnovi SST

Rešitev neposredne povezave 10 kV:

• Moč 2,5 MW (315 kW × 8), učinkovitost sistema 98,3%, uporaba visoko frekvenčne izolirane pretvorbe

• 400 VDC DC kolobarjevo omrežje na strani DC

• Poln PWM nadzor dosega faktor moči strme strani >0,99, harmonike <3%

Prihodnji pogled

S središčem na AC/DC distribucijskih omrežjih, razširjenimi na obnovljive vire, promet, oskrbo s strmo energijo, upravljanje energije in zaščito pred napakami, omogočajo SST integrirano sistemsko rešitev, ki zajema:

• Hibridna oskrba s strmo energijo AC/DC

• Integracija vira-omrežja-obremenitve-shrambe

• Optimizirano upravljanje energije in usmerjanje pretoka energije
  Podpora pri gradnji naslednjih generacij sistemov oskrbe s strmo energijo.

III. Izazovi pri uporabi in razprava

(1) Izazov združljivosti zaščitnih relays
Potreben je raziskovalni del na združljivosti med elektronskimi transformatorji in tradicionalnimi distribucijskimi sistemi, zlasti za kratkoporočne, talne in odprtinske napake. Je treba vzpostaviti jasne strategije nadzora med prehodom skozi napako in mehanizme za koordinacijo zaščitnih relays.

(2) Izazovi pri upravljanju, nadzoru in integraciji posredovanja
Široko uporaba nove elektronske opreme povzroča probleme prilagoditve pri posredovanju in nadzoru, za katere so potrebne rešitve za tri ključne potrebe:

• • Pravila usmerjanja in tržni mehanizmi: Tradicionalna logika "vir sledi povpraševanju" ne more akomodirati dvosmernih interakcij "povpraševanje-vir-omrežje". Razviti morajo biti večsmerna tržna mehanizma za pretok energije.

  • Standardizacija in združljivost: Raznoliki protokoli vmesnikov naprav vodijo do slabe združljivosti med ponudniki. Promovirani morajo biti standardizirani komunikacijski protokoli in nabori kontrolnih ukazov.

  • Usklajeno usmerjanje preko regij: Prostovoljno povezovanje prelomi tradicionalne zoniranje. Ustanoviti morajo biti usklajeni okviri za dodelitev odgovornosti, skupno deljenje rezerv in usklajeno usmerjanje preko regij.

  Te izzive je treba rešiti s skupnimi standardi in mehanizmi nadzora izvajanja.