Технологія SST: Повний сценарій аналізу в генерації передачі розподілу та споживанні електроенергії

I. Дослідницький тлумачний матеріал

Потреби трансформації енергетичної системи

Зміни в структурі енергетики ставлять вищі вимоги до енергетичних систем. Традиційні енергетичні системи перетворюються на новітні енергетичні системи, з ключовими відмінностями між ними, які викладені нижче:

ІI.Основні сценарії застосування твердотільних трансформаторів (SST)

На тлі нових енергетичних систем активна підтримка, регулювання інтеграції в мережу, гнучке з'єднання та взаємодія попит-пропозиція стали ключовими вимогами для просторово-часового компенсування енергії. SST проникають на всіх етапах — виробництво, передача, розподіл та споживання, з конкретними застосуваннями, які наведено нижче:

• Виробництво: пряма підключена конвертерна техніка, обладнання для формування мережі, середньовольтові DC трансформатори для інтеграції вітрової, сонячної енергії та зберігання.

• Передача: середньовольтові та високовольтові DC дистрибутивні трансформатори, гнучкі DC з'єднуючі пристрої.

• Розподіл: середньовольтові та низьковольтові гнучкі з'єднуючі модулі, гнучкі розподільні силові електронні трансформатори (PET), DC трансформатори для електрифікованого транспорту.

• Споживання: DC живлення для виробництва водню/алюмінію, пряма підключена система зарядки, пряма підключена живлення центрів обробки даних.

(1) Тяга залізничного транспорту — 25кВ Тяговий PETT

Конвертерні системи на основі SST є ключовим обладнанням для будівництва наступного покоління електричних мереж.

Основні технологічні прориви:

• Технології перетворення високоізоляційної високочастотної топології та високопотужного високочастотного трансформатора

• Високе напруга (AC25кВ пряме підключення) та висока ізоляція при компактному дизайну (виразність: 85кВ/1 хв)

• Придатність до сильних ударів та вібрацій, ефективне фазове охолодження

• Високочастотні, високоекономічні топології перетворення та технології керування, високочастотне модульоване керування з плавним комутуванням

Результати застосування:

• Установлено та протестовано на ЕМУ зі швидкістю 140 км/год у 2020 році, виводить DC1800В

• Номінальна ефективність 96,7% (на 2% більше, ніж у наявних систем), збільшення щільності потужності на 20%

• Світовий перший продукт 25кВ-SST, який досяг динамічного тестування на автомобілі

(2) Живлення міського транспорту — Мультіпортовий енергетичний маршрутизатор для метрополітенів

Основний дизайн:
Чотирипортова ізольована структура, що підтримує тягову потужність, допоміжну потужність, зберігання енергії та інтеграцію ФЕ.

Основні технології:

• Двоступінчаста повнобудівна LLC схемна топологія на основі IGBT

• DAB схемна топологія на основі SiC з послідовно-паралельною DC конфігурацією

• Технологія м'якого комутування для силових пристроїв (ефективність гілки ≥98,5%)

• Спільний 12-імпульсний трансформатор, підключений до AC мережі, що усуває циркуляційні струми при паралельному з'єднанні з діодними выпрямителями

Переваги застосування:

• Усуває великогабаритні лінійні частотні регенеративні трансформатори; на 26% менша площа, що зменшує простір для встановлення та вартість будівництва

• Відсутні втрати без навантаження трансформатора, що дозволяє модернізацію наявних ліній

• Інтеграція выпрямлення, зворотного введення енергії, реактивної компенсації та гармонічного фільтрування для точного керування потоком енергії через багато портів

(3) Зарядка та заміна акумуляторів — 10кВ Пряме підключення SST для зарядки електромобілів

Конфігурація системи:

• Пряме підключення середнього напруги 10кВ, потужність 1MVA: 1 модуль прямої зарядки + 2 модулі зі спільною шиною

• Конфігурується з 300кВт ультрабыстрою зарядкою та шістьма 120кВт швидкими зарядками; сумісна з інтеграцією ФЕ-зберігання та підключенням до середньовольтової мережі

Основні функції:

• Інтеграція трансформатора та модулів зарядки; широкий діапазон регулювання напруги дозволяє пряму зарядку, ефективність системи ≥97% (пік 98,3%)

• Забезпечує підтримку мережі та управління якістю електроенергії, дозволяючи двосторонню взаємодію V2G (автомобіль-мережа) та G2V (мережа-автомобіль)

(4) Живлення парку — Низькокарбоновий енергетичний маршрутизатор парку (інтеграція ФЕ-зберігання-зарядки)

Архітектура системи:
10кВ пряме підключення енергетичного маршрутизатора на основі SST, з портами AC10кВ та DC750В, з батареями зберігання, DC інтерфейсами зарядки та пристроями захисту DC на виході.

Основна конфігурація:
Шафа SST 315кВт, 976,12кВтп ФЕ, 0,5МВ/1,3МВг енергетичне зберігання, 10 DC станцій зарядки.

Цінність застосування:

• Зменшує витрати на електроенергію за допомогою генерації електроенергії з сонячної енергії та арбітражу пікових навантажень через зберігання енергії

• Знижує потребу у місткості станцій, зм'ягчує вплив на мережу та надає відмінну масштабуваність

• Комбінація "твірний прямого струму + вимикача" на стороні виводу забезпечує ізоляцію аварійних ситуацій для систем зберігання та заряджальних станцій

(5) Інтеграція Відновлюваної Енергії — DC/DC Енергетичний Маршрутизатор для Конвертації Сонячної Енергії в Водень

Основні Параметри:

• 5МВт ізольований DC/DC конвертер: вхідний прямий струм 800–1500В, вихідний прямий струм 0–850В, підключений до шини електролізера водню

• Місткість однієї шафи: 3/6МВА, масштабованій від 3 до 20МВА; вихідне напруга може бути адаптоване до DC0–1300В/2000В

Технічні Переваги:

• Зменшує кількість етапів конвертації по відношенню до передачі через змінний струм; загальна ефективність 96%–98%

• Високочастотні ізольовані DC трансформатори з гнучкими серійно-паралельними топологіями, придатні для сонячної енергії, зберігання, електропостачання залізниць, виробництва водню/алюмінію

• Модульна, налаштовувана платформа, призначена для різноманітних потреб DC мереж різних галузей промисловості

(6) Оптимізація Розподільчої Мережі

Пристрій Гнучкого З'єднання Середнього та Низького Напруги:

• Вирішує проблеми нерівномірності навантаження, зростання розподіленої сонячної енергетики, розширення заряджальних станцій електромобілів та підвищення надійності

• У нормальних умовах: асинхронне з'єднання з мережею з контролем потоку активної/реактивної енергії, покращеною інтеграцією відновлюваних джерел енергії та ізоляцією якості енергії

• При аварійних умовах: швидка ізоляція та автоматичне переключення для запобігання відключення

Система Прямої З'єднання 10кВ для Зберігання Енергії:

• З'єднання з мережею середнього та високого напруги зменшує втрати у лініях

• Двоступінчаста конвертація дозволяє широкий діапазон регулювання напруги

• Модульна конфігурація PCS та акумуляторів

• Більш гнучка місткість порівняно з каскадною H-мостовою топологією, забезпечуючи безпеку ізоляції акумуляторів та повний контроль потоку енергії

(7) З'єднання з Мережею на Стороні Генерації — Нова Мережева Інтерфейсна Система Прямої З'єднання 10кВ для Фотоелектричних Станцій

Технічні Особливості:

• Високочастотна ізоляція + каскадна CHB головна схема

• Місткість: N×315кВА (масштабованій), вихід сумісний з системами 1500В, ефективність >98.3%

Основні Переваги:

• Пряме з'єднання з мережею середнього напругу з ізольованим DC-DC, що виконує MPPT (Відстеження Максимальної Точки Потужності) та ізоляцію/регулювання напруги

• Спрощена двоступінчаста архітектура, високо ефективна; безпосередньо реагує на вимоги мережі на рівні 10кВ

• Придатна для промислових, комерційних та сільських розподілених фотоелектричних сценаріїв

(8) Сторона Навантаження — Постачання Електроенергії Дата-Центру на Основі SST

Рішення Прямої З'єднання 10кВ:

• Потужність 2.5МВт (315кВт × 8), ефективність системи 98.3%, використовуючи високочастотну ізольовану конвертацію

• DC кільцева мережа на стороні DC 400В

• Повний PWM контроль досягає коефіцієнт потужності >0.99, гармоніки <3%

Перспективи

Навколо AC/DC розподільчих мереж, розширюючи на відновлювані джерела, транспорт, постачання електроенергії, управління енергією та захист від аварій, SST дозволяють комплексне системне рішення, що включає:

• Гібридне постачання електроенергії AC/DC

• Інтеграцію джерела, мережі, навантаження та зберігання

• Оптимізоване управління енергією та диспетчеризацію потоку енергії
  Підтримуючи будівництво наступного покоління електроенергетичних систем.

III. Виклики та Обговорення Застосування

(1) Виклик Комpatibilitetу Захисту Реле
Необхідні дослідження щодо сумісності електронних трансформаторів з традиційними розподільчими системами, особливо для коротких замикань, заземлення та відкриття цепи. Необхідно встановити чіткі стратегії керування під час проходження аварій та механізми координації захисту реле.

(2) Виклики Інтеграції Диспетчеризації, Управління та Моніторингу
Широке впровадження нової електронної обладнання піднімає питання адаптації в диспетчеризації та моніторингу, вимагаючи рішень трьох ключових потреб:

• • Правила диспетчизації та ринкові механізми: Традиційна логіка «джерело наступає за навантаженням» не може врахувати двобічних взаємодій «навантаження-джерело-мережа». Необхідно розробити ринкові механізми для багатонаправленого потоку електроенергії.

  • Стандартизація та взаємодія: Різні протоколи інтерфейсу пристроїв призводять до поганої взаємодії між постачальниками. Необхідно сприяти стандартизованим комунікаційним протоколам та наборам команд керування.

  • Координований диспетчинг між регіонами: Гнучке з'єднання порушує традиційні адміністративні кордони. Необхідно створити єдині системи розподілу відповідальності, спільного резерву та координованого диспетчингу між регіонами.

  Ці виклики вимагають єдиних стандартів та механізмів контролю за їх виконанням для вирішення.