SST-teknik: Fullständig scenariosanalys inom elproduktion överföring distribution och förbrukning

I. Forskningsbakgrund

Behov för omvandling av energisystem

Förändringar i energistruktur ställer högre krav på energisystem. Traditionella energisystem går över till nygenerationens energisystem, med de kärnlikheter mellan dem som beskrivs nedan:

Ⅱ.Kärnanvändningsområden för Solid State Transformer (SST)

Under bakgrunden av nya energisystem har aktivt stöd, nätintegrationsreglering, flexibel sammanfogning och utbytande blivit viktiga krav för tids- och rymdkomplementaritet. SST-penetrerar alla steg—generering, transmission, distribution och konsumtion—med specifika tillämpningar som följer:

• Genereringssida: Direktkopplade nätanslutna omvandlare, nätbildande utrustning, medelspännings DC-transformatorer för integrering av vind, sol och lagring.

• Transmissionsida: Medel- och högspännings DC-distributionsomvandlare, flexibla DC-sambindningsenheter.

• Distributionsida: Flexibla medel- och lågspännings sammankopplingsenheter, flexibla distributionsströmföringstransformatorer (PET), DC-transformatorer för elektrifierad transport.

• Konsumtionsida: DC-strömkällor för vätgas/aluminiumproduktion, direktkopplade laddsystem, direktkopplade datacenter strömkällor.

(1) Spårvägstraktion — 25kV Traktions-PETT

SST-baserade omvandlingsystem är kärnutrustning för att bygga nästa generations nät.

Kritiska tekniska genombrott:

• Högisolering högfrekvens topologi omvandling och högeffekt högfrekvens transformator teknologier

• Högspänning (AC25kV direktanslutning) och högisoleringsteknik under kompakt design (brytningsvolt: 85kV/1min)

• Anpassning till starka påverkan och vibrationsmiljö, effektiv fasändringskylning

• Högfrekvens, högeffektiv omvandlingstopologi och drivteknik, högfrekvensmoduleringskontroll med smidig växling

Tillämpningsresultat:

• Installerad och testad på en 140 km/h EMU 2020, ger ut DC1800V

• Specifik effektivitet på 96,7% (2% högre än befintliga system), 20% ökning i effekt densitet

• Fullständigt kontrollerad nätet side möjliggör aktiv filtrering, reaktiv effektkompensation, noll magnetiseringsinloppström och ingen standby-förlust

• Världens första 25kV-SST-produkt att uppnå fordonsmountad dynamisk testning

(2) Stadsbaneströmförsörjning — Flerport energirouter för metro-system

Kärndesign:
Fyra port isolerad struktur som stöder traktionskraft, hjälpkraft, energilagring och PV-integrering.

Kritiska teknologier:

• Tvånivå fullbrygga LLC-kretstopologi baserad på IGBT

• SiC-baserad DAB-kretstopologi med serie-parallell DC-konfiguration

• Soft-switching teknologi för effektenheter (gren effektivitet ≥98,5%)

• Delad 12-puls transformator ansluten till AC-nätet, eliminera cirkulerande strömmar vid parallellkoppling med diodrekifierare

Tillämpningsfördelar:

• Eliminerar tunga linje-frekvens regenerativa transformer; 26% mindre fotavtryck, minskar installationsutrymme och byggnadskostnader

• Inga transformator no-load förluster, möjliggör ombyggnad av befintliga linjer

• Integrerar rekifiering, energi återflöde, reaktiv kompensation och harmonisk filtrering för precist flerport strömfördelningskontroll

(3) Laddning & Batteribyte — 10kV Direktansluten SST för EV-laddning

Systemkonfiguration:

• 10kV medelspänningsdirektanslutning, 1 MVA kapacitet: 1 direktladdningsmodul + 2 delade busshubbningsmoduler

• Konfigurerad med 300 kW ultra-snabb laddning och sex 120 kW snabbladdare; kompatibel med PV-lagring och medelspänningsnätanslutning

Kärnfunktioner:

• Integrerar transformator och laddningsmoduler; brett spänningsregleringsområde möjliggör direktladdning, systemeffektivitet ≥97% (peak 98,3%)

• Ger nätstöd och kvalitetshantering, möjliggör tvåväg V2G (fordon-till-nät) och G2V (nät-till-fordon) interaktion

(4) Parkförsörjning — Långtgående park energirouter (PV-Lagring-Laddning Integrering)

Systemarkitektur:
10kV direktansluten energirouter baserad på SST, med AC10kV och DC750V-portar, batterilagring, DC-laddningsgränssnitt och DC-skyddsutrustning på utdata sidan.

Kärnkonfiguration:
315kW SST-skåp, 976,12kWp PV, 0,5MW/1,3MWh energilagring, 10 DC-laddstationer.

Tillämpningsvärde:

• Minskar elkostnader genom PV-generering och energilagrings peak-shaving arbitrage

• Lägger ned stationens kapacitetsbehov, bufferar nätets påverkan och erbjuder utmärkt skalbarhet

• Utdata sidans "solid-state DC circuit breaker + kopplingsbrytare" kombination säkerställer felisolering för lagring och laddstationer

(5) Förnybar energi integration — DC/DC energirouter för PV-till-vätgas

Kärnparametrar:

• 5 MW isolerad DC/DC-omvandlare: inmatning DC800–1500V, utmatning DC0–850V, ansluten till vätgas elektrolyser busbar

• Enskilt skåpkapacitet: 3/6 MVA, skalbar från 3–20 MVA; utmatnings spänning anpassbar till DC0–1300V/2000V

Tekniska fördelar:

• Minskar omvandlingssteg jämfört med AC-överföring; total effektivitet 96%–98%

• Högfrekvens isolerade DC-transformatorer med flexibla serie-parallella topologier, lämpliga för PV, lagring, spårströmskraft, vätgas/aluminiumproduktion

• Modulär, konfigurerbar plattform anpassad till olika industrispecifika DC-nätsbehov

(6) Nät optimering

Medel- och lågspännings flexibel sammankopplingsenhet:

• Hanterar belastningsobalans, ökning av distribuerad PV, expansion av EV-laddare och förbättring av tillförlitlighet

• Normal drift: asynkron nätinteraktion med aktiv/reaktiv strömflödeskontroll, förbättrad förnybar energiintegration och kvalitetsisolering

• Fel villkor: snabb isolering och automatisk växling för att förhindra avbrott

10kV Direktansluten Energilagringssystem:

• Medel/högspännings nätanslutning minskar linjeförluster

• Tvåstegs omvandling möjliggör brett spänningsregleringsområde

• Modulär PCS och batterikonfiguration

• Mer flexibel kapacitet jämfört med kaskad H-bryggtopologi, säkerställer batteriisoleringssäkerhet och fullkedjes strömfördelningskontroll

(7) Nätanslutning på genereringssidan — 10kV Direktansluten Fotovoltaisk Ny Nätgränssnitt

Tekniska egenskaper:

• Högfrekvensisolering + kaskad CHB-huvudkretstopologi

• Kapacitet: N×315kVA (skalbar), utmatning kompatibel med 1500V-system, effektivitet >98,3%

Kärnfördelar:

• Medelspänningsdirektanslutning med isolerad DC-DC utförande MPPT (Maximum Power Point Tracking) och isolering/spänningsreglering

• Förenklad tvåstegsarkitektur, mycket effektiv; svarar direkt på nätets krav på 10kV-nivå

• Applicerbar till industriella, kommersiella och landsbygdens distribuerade PV-scenarier

(8) Belastningssida — Datacenter strömförsörjning baserad på SST

10kV Direktansluten Lösning:

• 2,5 MW effekt (315kW × 8), systemeffektivitet 98,3%, använder högfrekvens isolerad omvandling

• 400VDC DC ringnät på DC-sidan

• Full PWM-kontroll uppnår nätets effektiv faktor >0,99, harmoniska <3%

Framtidsperspektiv

Centrerad på AC/DC-distributionsnät, utvidgar till förnybara energikällor, transporter, strömförsörjning, energihantering och felförsvar, möjliggör SST en integrerad systemlösning som inkluderar:

• AC/DC hybrid strömförsörjning

• Källa-nät-belastning-lagring integrering

• Optimerad energihantering och strömfördelningsdispatch
  Stödjer uppbyggnaden av nästa generations energisystem.

III. Tillämpningsutmaningar och diskussion

(1) Reläskyddskompatibilitetsutmaning
Forskning behövs om kompatibiliteten mellan strömföringstransformatorer och traditionella distributionsystem, särskilt för kortslut, jord och öppna krets fel. Tydliga kontrollstrategier under felet genomgång och samordningsmekanismer för reläskydd måste etableras.

(2) Uppdelning, hantering och övervakningsintegrationsutmaningar
Det breda införandet av ny strömföringsutrustning reser anpassningsproblem i uppdela och övervakning, vilket kräver lösningar på tre kärnbehov:

• Uppdelningsregler & marknads mekanismer: Den traditionella "källa följer efterfrågan" logiken kan inte akkommodera tvåvägs "belastning-källa-nät" interaktioner. Multi-directional strömfördelningsmarknads mekanismer måste utvecklas.

• Standardisering & Interoperabilitet: Olika enhets gränssnitt protokoll leder till dålig interoperabilitet mellan leverantörer. Standardiserade kommunikationsprotokoll och kontrollkommandosätt måste främjas.

• Överregionalt samordnat uppdela: Flexibel sammanfogning bryter traditionella zoneringens gränser. Enheter ansvarsfördelning, reservdelning och överregionalt samordnat uppdela ramverk måste etableras.

Dessa utmaningar kräver enhetliga standarder och övervakningsutförandemekanismer för att lösas.