เทคโนโลยี SST: การวิเคราะห์ทุกสถานการณ์ในด้านการผลิต การส่งผ่าน การกระจาย และการใช้พลังงานไฟฟ้า

I. ข้อมูลพื้นฐานของการวิจัย

ความต้องการในการเปลี่ยนแปลงระบบพลังงาน

การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างพลังงานกำลังส่งผลให้มีความต้องการที่สูงขึ้นต่อระบบพลังงาน ระบบพลังงานแบบดั้งเดิมกำลังเปลี่ยนผ่านไปสู่ระบบพลังงานรุ่นใหม่ โดยความแตกต่างหลักระหว่างทั้งสองระบบนี้ได้ถูกอธิบายไว้ดังนี้:

Ⅱ. สถานการณ์การใช้งานหลักของ Solid-State Transformers (SST)

ภายใต้บริบทของระบบไฟฟ้าใหม่ การสนับสนุนแบบเชิงรุก การควบคุมการเชื่อมต่อระบบไฟฟ้า การเชื่อมต่อที่ยืดหยุ่น และการส่งเสริมการตอบสนองระหว่างอุปสงค์และอุปทานได้กลายเป็นข้อกำหนดสำคัญสำหรับการทดแทนพลังงานในมิติเวลาและพื้นที่ SSTs ซึมซับอยู่ในทุกขั้นตอน—การผลิต การส่งผ่าน การกระจาย และการใช้—โดยมีการใช้งานเฉพาะดังต่อไปนี้:

• ฝั่งการผลิต: ตัวแปลงไฟฟ้าที่เชื่อมต่อตรงกับระบบไฟฟ้า thiết bịสร้างกริด ตัวแปลงไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันกลางสำหรับการรวมพลังงานลม พลังงานแสงอาทิตย์ และการเก็บพลังงาน

• ฝั่งการส่งผ่าน: ตัวแปลงไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันกลางและสูง อุปกรณ์เชื่อมต่อ DC ที่ยืดหยุ่น

• ฝั่งการกระจาย: หน่วยเชื่อมต่อที่ยืดหยุ่นแรงดันกลางและต่ำ ตัวแปลงไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่นสำหรับการกระจาย ตัวแปลงไฟฟ้ากระแสตรงสำหรับการขนส่งทางไฟฟ้า

• ฝั่งการใช้: แหล่งจ่ายไฟกระแสตรงสำหรับการผลิตไฮโดรเจน/อะลูมิเนียม ระบบชาร์จที่เชื่อมต่อตรง แหล่งจ่ายไฟสำหรับศูนย์ข้อมูลที่เชื่อมต่อตรง

(1) ระบบดึงรถไฟ — 25kV Traction PETT

ระบบแปลงที่ใช้ SST เป็นอุปกรณ์หลักในการสร้างระบบไฟฟ้ารุ่นต่อไป

ความก้าวหน้าทางเทคนิคสำคัญ:

• เทคโนโลยีการแปลงท็อปโอลอจีความถี่สูงที่มีการแยกสูงและการแปลงพลังงานความถี่สูง

• เทคโนโลยีแรงดันสูง (AC25kV เชื่อมต่อตรง) และการแยกสูงภายใต้การออกแบบที่กะทัดรัด (ทนแรงดัน: 85kV/1 นาที)

• ปรับตัวเข้ากับสภาพแวดล้อมที่มีแรงกระแทกและแรงสั่นสะเทือนสูง การระบายความร้อนด้วยการเปลี่ยนเฟสที่มีประสิทธิภาพ

• ท็อปโอลอจีและเทคนิคการขับเคลื่อนที่มีการแปลงความถี่สูงและมีประสิทธิภาพสูง การควบคุมการปรับความถี่สูงด้วยการสลับที่ราบรื่น

ผลการใช้งาน:

• ติดตั้งและทดสอบบน EMU ความเร็ว 140 กม./ชม. ในปี 2020 ให้เอาต์พุต DC1800V

• ประสิทธิภาพตามอัตรา 96.7% (สูงกว่าระบบเดิม 2%) เพิ่มความหนาแน่นของกำลัง 20%

• การควบคุมที่สมบูรณ์บนฝั่งกริดสามารถทำให้การกรองแบบแอคทีฟ การชดเชยพลังงานปฏิกิริยา กระแสแม่เหล็กไม่มีและไม่มีการสูญเสียขณะพร้อมใช้งาน

• ผลิตภัณฑ์ 25kV-SST แรกในโลกที่บรรลุการทดสอบแบบไดนามิกบนรถ

(2) ระบบจ่ายไฟรถไฟเมือง — เครื่องส่งพลังงานหลายพอร์ตสำหรับระบบรถไฟใต้ดิน

การออกแบบหลัก:
โครงสร้างแยกส่วน 4 พอร์ตที่รองรับพลังงานดึง ไฟฟ้าช่วย เก็บพลังงาน และการรวมพลังงานแสงอาทิตย์

เทคโนโลยีหลัก:

• ท็อปโอลอจีวงจร LLC สองระดับเต็มสะพานที่ใช้ IGBTs

• ท็อปโอลอจีวงจร DAB ที่ใช้ SiC ด้วยการกำหนดค่า DC แบบอนุกรม-ขนาน

• เทคโนโลยีการสลับที่นุ่มนวลสำหรับอุปกรณ์พลังงาน (ประสิทธิภาพแขนง ≥98.5%)

• หม้อแปลง 12 ชุดที่เชื่อมต่อกับกริด AC ลดกระแสวนเมื่อเชื่อมต่อขนานกับไดโอดรีเฟอร์

ข้อดีของการใช้งาน:

• กำจัดหม้อแปลงรีเจเนเรทีฟความถี่สายส่งขนาดใหญ่; มีพื้นที่ติดตั้งเล็กลง 26% ลดพื้นที่การติดตั้งและค่าใช้จ่ายในการก่อสร้าง

• ไม่มีการสูญเสียพลังงานขณะไม่มีโหลดของหม้อแปลง สามารถปรับปรุงสายส่งที่มีอยู่

• รวมการรีฟายเนอร์ การส่งพลังงานกลับ การชดเชยพลังงานปฏิกิริยา และการกรองฮาร์โมนิกสำหรับการควบคุมการไหลของพลังงานหลายพอร์ตอย่างแม่นยำ

(3) การชาร์จและเปลี่ยนแบตเตอรี่ — 10kV Direct-Connected SST สำหรับการชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า

การกำหนดค่าระบบ:

• การเชื่อมต่อตรงแรงดันกลาง 10kV ความจุ 1MVA: โมดูลชาร์จตรง 1 โมดูล + โมดูลเครือข่ายแบัสร่วม 2 โมดูล

• กำหนดค่าด้วยการชาร์จเร็วมาก 300kW และชาร์จเร็ว 120kW หกตัว; รองรับการรวมพลังงานแสงอาทิตย์และแบตเตอรี่และการเชื่อมต่อกริดแรงดันกลาง

ฟังก์ชันหลัก:

• รวมหม้อแปลงและโมดูลชาร์จ; การควบคุมแรงดันในช่วงกว้างทำให้สามารถชาร์จตรงได้ ประสิทธิภาพระบบ ≥97% (สูงสุด 98.3%)

• ให้การสนับสนุนกริดและการจัดการคุณภาพพลังงาน ทำให้สามารถมีการสื่อสารสองทาง V2G (ยานพาหนะสู่กริด) และ G2V (กริดสู่ยานพาหนะ)

(4) ระบบจ่ายไฟสวนอุตสาหกรรม — เครื่องส่งพลังงานสวนอุตสาหกรรมที่มีคาร์บอนต่ำ (การรวมพลังงานแสงอาทิตย์-การเก็บพลังงาน-การชาร์จ)

สถาปัตยกรรมระบบ:
เครื่องส่งพลังงานที่เชื่อมต่อตรง 10kV บนพื้นฐานของ SST พร้อมพอร์ต AC10kV และ DC750V พร้อมการเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่ พอร์ตชาร์จ DC และอุปกรณ์ป้องกัน DC ที่ด้านเอาต์พุต

การกำหนดค่าหลัก:
ตู้ SST 315kW พลังงานแสงอาทิตย์ 976.12kWp การเก็บพลังงาน 0.5MW/1.3MWh สถานีชาร์จ DC 10 แห่ง

คุณค่าการใช้งาน:

• ลดค่าใช้จ่ายด้านไฟฟ้าผ่านการผลิตพลังงานจากแสงอาทิตย์และเก็บพลังงานเพื่อตัดส่วนสูงของความต้องการไฟฟ้า

• ลดความต้องการกำลังของสถานี ช่วยลดผลกระทบต่อระบบไฟฟ้า และมีความยืดหยุ่นในการขยายได้ดี

• การผสมผสาน "ตัวตัดวงจรตรงแบบโซลิดสเตท + สวิตช์แยก" บนฝั่งเอาต์พุต เพื่อรับประกันการแยกข้อผิดพลาดสำหรับสถานีเก็บพลังงานและการชาร์จ

(5) การรวมพลังงานทดแทน — ตัวเร้าเตอร์พลังงาน DC/DC สำหรับการแปลงพลังงานจากแสงอาทิตย์เป็นไฮโดรเจน

พารามิเตอร์หลัก:

• ตัวแปลง DC/DC ขนาด 5MW ที่แยกกัน: แรงดันขาเข้า DC800–1500V แรงดันขาออก DC0–850V เชื่อมต่อกับบัสบาร์เครื่องแยกไฮโดรเจน

• กำลังตู้เดียว: 3/6MVA สามารถขยายได้จาก 3–20MVA; แรงดันขาออกปรับได้ตาม DC0–1300V/2000V

ข้อได้เปรียบทางเทคนิค:

• ลดขั้นตอนการแปลงเมื่อเทียบกับการส่งผ่าน AC; ประสิทธิภาพโดยรวม 96%–98%

• ตัวแปลงกระแสตรงที่แยกกันด้วยความถี่สูงพร้อมท็อปโลจีอนุกรมขนานที่ยืดหยุ่น เหมาะสำหรับพลังงานแสงอาทิตย์ การเก็บพลังงาน ระบบรถไฟ การผลิตไฮโดรเจน/อะลูมิเนียม

• แพลตฟอร์มที่กำหนดเองได้และโมดูลาร์ เพื่อตอบสนองความต้องการของระบบไฟฟ้ากระแสตรงในหลากหลายอุตสาหกรรม

(6) การปรับปรุงระบบจำหน่ายไฟฟ้า

อุปกรณ์เชื่อมต่อแบบยืดหยุ่นระดับกลางและต่ำ:

• แก้ไขปัญหาการไม่สมดุลของโหลด การเพิ่มขึ้นของพลังงานแสงอาทิตย์กระจาย ความขยายตัวของชุดชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า และการเพิ่มความน่าเชื่อถือ

• การทำงานปกติ: การเชื่อมต่อระหว่างระบบไฟฟ้าแบบไม่ซิงโครนัสพร้อมการควบคุมการไหลของพลังงานแอกทีฟและรีแอคทีฟ การรวมพลังงานทดแทนที่ดีขึ้น และการแยกคุณภาพพลังงาน

• ในกรณีข้อผิดพลาด: การแยกอย่างรวดเร็วและการเปลี่ยนแปลงอัตโนมัติเพื่อป้องกันการขาดแคลนพลังงาน

ระบบเก็บพลังงานเชื่อมต่อโดยตรง 10kV:

• การเชื่อมต่อระบบไฟฟ้าระดับกลางและสูงลดการสูญเสียสายไฟ

• การแปลงสองขั้นตอนช่วยให้สามารถควบคุมแรงดันได้ในช่วงกว้าง

• การกำหนดค่า PCS และแบตเตอรี่แบบโมดูลาร์

• ความยืดหยุ่นในการกำหนดกำลังมากกว่าท็อปโลจี H-bridge แบบสอดคล้องกัน รับประกันความปลอดภัยของฉนวนแบตเตอรี่และการควบคุมการไหลของพลังงานทั้งหมด

(7) การเชื่อมต่อระบบไฟฟ้าบนฝั่งการผลิต — หน้าต่อใหม่สำหรับระบบพลังงานแสงอาทิตย์เชื่อมต่อโดยตรง 10kV

คุณลักษณะทางเทคนิค:

• การแยกความถี่สูง + ท็อปโลจีวงจรหลัก CHB แบบสอดคล้องกัน

• กำลัง: N×315kVA (สามารถขยายได้) ขาออกเข้ากันได้กับระบบ 1500V ประสิทธิภาพ >98.3%

ข้อได้เปรียบหลัก:

• การเชื่อมต่อโดยตรงระดับกลางด้วยตัวแปลง DC-DC ที่แยกกันทำการติดตามจุดกำลังสูงสุด (MPPT) และการแยก/ควบคุมแรงดัน

• โครงสร้างสองขั้นตอนที่ง่ายและมีประสิทธิภาพสูง; ตอบสนองโดยตรงต่อความต้องการของระบบไฟฟ้าที่ระดับ 10kV

• เหมาะสมสำหรับสถานการณ์พลังงานแสงอาทิตย์กระจายในภาคอุตสาหกรรม พาณิชย์ และชนบท

(8) ฝั่งโหลด — ระบบจ่ายไฟศูนย์ข้อมูลบนพื้นฐาน SST

โซลูชันเชื่อมต่อโดยตรง 10kV:

• กำลัง 2.5MW (315kW × 8) ประสิทธิภาพระบบ 98.3% ใช้การแปลงที่แยกกันด้วยความถี่สูง

• เครือข่ายวงแหวน DC 400VDC บนฝั่ง DC

• การควบคุม PWM แบบเต็มทำให้ปัจจัยกำลังทางฝั่งระบบไฟฟ้า >0.99 ฮาร์มอนิก <3%

แนวโน้มในอนาคต

ศูนย์กลางบนระบบจำหน่ายไฟฟ้า AC/DC ขยายไปสู่พลังงานทดแทน การขนส่ง การจ่ายไฟ การจัดการพลังงาน และการป้องกันข้อผิดพลาด SSTs ช่วยให้มีโซลูชันระบบแบบครบวงจรครอบคลุม:

• ระบบจ่ายไฟ AC/DC ผสมผสาน

• การรวมแหล่งกำเนิด-ระบบจำหน่าย-โหลด-เก็บพลังงาน

• การจัดการพลังงานและการควบคุมการไหลของพลังงานที่ได้รับการปรับปรุง
  สนับสนุนการสร้างระบบไฟฟ้ารุ่นต่อไป

III. ความท้าทายในการประยุกต์ใช้และการหารือ

(1) ความท้าทายในการเข้ากันได้ของระบบป้องกันการส่งผ่าน
จำเป็นต้องทำการวิจัยเกี่ยวกับความเข้ากันได้ระหว่างตัวแปลงพลังงานอิเล็กทรอนิกส์และระบบจำหน่ายไฟฟ้าแบบดั้งเดิม โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับข้อผิดพลาดประเภทสั้นวงจร ต่อกราวด์ และวงจรเปิด ต้องมีกลยุทธ์ควบคุมที่ชัดเจนในระหว่างการผ่านข้อผิดพลาดและการประสานงานกลไกป้องกันการส่งผ่าน

(2) ความท้าทายในการบริหารจัดการ การควบคุม และการตรวจสอบการรวมเข้าด้วยกัน
การยอมรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใหม่ที่กว้างขวางขึ้นทำให้เกิดปัญหาในการปรับตัวในการบริหารจัดการและการตรวจสอบ ต้องการแนวทางแก้ไขเพื่อตอบสนองความต้องการหลักสามประการ:

• • กฎการจัดส่งและกลไกตลาด: ตรรกะ "แหล่งกำเนิดตามภาระ" แบบดั้งเดิมไม่สามารถรองรับการสื่อสารสองทาง "ภาระ-แหล่งกำเนิด-ระบบไฟฟ้า" ได้ การพัฒนากลไกตลาดสำหรับการไหลของพลังงานหลายทิศทางจำเป็นต้องได้รับการพัฒนา

  • มาตรฐานและการทำงานร่วมกัน: โปรโตคอลอินเทอร์เฟซอุปกรณ์ที่หลากหลายทำให้เกิดความไม่เข้ากันระหว่างผู้ผลิต การส่งเสริมโปรโตคอลการสื่อสารและชุดคำสั่งควบคุมที่มาตรฐานจำเป็นต้องได้รับการส่งเสริม

  • การจัดส่งแบบประสานงานข้ามภูมิภาค: การเชื่อมต่อที่ยืดหยุ่นทำลายขอบเขตการแบ่งเขตแบบดั้งเดิม โครงสร้างการจัดสรรความรับผิดชอบ การแบ่งปันสำรอง และการจัดส่งแบบประสานงานข้ามภูมิภาคต้องได้รับการสร้างขึ้น

  ความท้าทายนี้ต้องการมาตรฐานที่รวมกันและกลไกการตรวจสอบการดำเนินการเพื่อแก้ไข