Công nghệ SST: Phân tích toàn cảnh trong việc phát điện truyền tải phân phối và tiêu thụ

I. Nền tảng Nghiên cứu

Nhu cầu Biến đổi Hệ thống Điện

Sự thay đổi trong cấu trúc năng lượng đang đặt ra những yêu cầu cao hơn đối với hệ thống điện. Các hệ thống điện truyền thống đang chuyển đổi sang hệ thống điện thế hệ mới, với sự khác biệt cốt lõi giữa chúng được nêu rõ như sau:

Ⅱ.Các Kịch bản Áp dụng Chính của Biến áp Rắn (SST)

Trong bối cảnh các hệ thống điện mới, hỗ trợ chủ động, điều chỉnh tích hợp lưới, liên kết linh hoạt và tương tác cung-cầu đã trở thành các yêu cầu chính cho sự bổ sung năng lượng theo không gian-thời gian. SST thấm sâu vào tất cả các giai đoạn—sản xuất, truyền tải, phân phối và tiêu thụ—với các ứng dụng cụ thể như sau:

• Bên phát điện: Bộ biến đổi nối trực tiếp vào lưới, thiết bị tạo lưới, biến áp DC trung áp để tích hợp gió, mặt trời và lưu trữ.

• Bên truyền tải: Biến áp phân phối DC trung và cao áp, thiết bị liên kết DC linh hoạt.

• Bên phân phối: Đơn vị liên kết linh hoạt trung và hạ áp, biến áp điện tử phân phối linh hoạt (PET), biến áp DC cho vận tải điện hóa.

• Bên tiêu thụ: Nguồn điện DC cho sản xuất hydro/nhôm, hệ thống sạc nối trực tiếp, nguồn điện trung tâm dữ liệu nối trực tiếp.

(1) Traction Giao thông Đường sắt — PETT 25kV

Hệ thống chuyển đổi dựa trên SST là thiết bị cốt lõi để xây dựng lưới điện thế hệ tiếp theo.

Các đột phá kỹ thuật chính:

• Chuyển đổi topologie tần số cao cách ly cao và công nghệ biến áp tần số cao công suất lớn

• Công nghệ cách điện cao (nối trực tiếp AC25kV) dưới thiết kế nhỏ gọn (điện áp chịu đựng: 85kV/1 phút)

• Thích nghi với môi trường va đập mạnh và rung, làm mát hiệu quả bằng pha chuyển đổi

• Topologie và kỹ thuật điều khiển tần số cao, hiệu suất cao, điều khiển điều chế tần số cao với chuyển mạch mượt mà

Kết quả áp dụng:

• Đã được lắp đặt và thử nghiệm trên tàu EMU tốc độ 140 km/h vào năm 2020, đầu ra DC1800V

• Hiệu suất định mức 96,7% (cao hơn 2% so với hệ thống hiện tại), mật độ công suất tăng 20%

• Bên lưới điện được kiểm soát hoàn toàn, cho phép lọc chủ động, bù công suất phản kháng, dòng từ hóa khởi động bằng không và không có tổn thất chờ

• Sản phẩm 25kV-SST đầu tiên trên thế giới đạt được thử nghiệm động trên xe

(2) Cung cấp Điện cho Giao thông Đường sắt Thành phố — Bộ định tuyến Năng lượng Đa cổng cho Hệ thống Metro

Thiết kế cốt lõi:
Cấu trúc cách ly bốn cổng hỗ trợ điện kéo, điện phụ trợ, lưu trữ năng lượng và tích hợp PV.

Các công nghệ chính:

• Topologie mạch LLC hai cấp dựa trên IGBT

• Topologie mạch DAB dựa trên SiC với cấu hình DC chuỗi song song

• Công nghệ chuyển mạch mềm cho thiết bị điện (hiệu suất nhánh ≥98,5%)

• Biến áp chung 12 xung kết nối với lưới điện AC, loại bỏ dòng vòng khi song song với bộ chỉnh lưu điôt

Lợi ích áp dụng:

• Loại bỏ các biến áp tái sinh tần số dòng lớn; giảm 26% diện tích, giảm không gian lắp đặt và chi phí xây dựng

• Không có tổn thất không tải của biến áp, cho phép cải tạo các đường dây hiện có

• Tích hợp chỉnh lưu, phản hồi năng lượng, bù công suất phản kháng và lọc hài, cho phép kiểm soát dòng điện đa cổng chính xác

(3) Sạc & Thay pin — SST Nối trực tiếp 10kV cho Sạc Xe điện

Cấu hình Hệ thống:

• Nối trực tiếp trung áp 10kV, công suất 1MVA: 1 mô-đun sạc trực tiếp + 2 mô-đun mạng chung-bus

• Cấu hình với sạc siêu nhanh 300kW và sáu sạc nhanh 120kW; tương thích với tích hợp PV-lưu trữ và kết nối lưới trung áp

Chức năng cốt lõi:

• Tích hợp biến áp và mô-đun sạc; điều chỉnh điện áp rộng cho phép sạc trực tiếp, hiệu suất hệ thống ≥97% (đỉnh 98,3%)

• Cung cấp hỗ trợ lưới và quản lý chất lượng điện, cho phép tương tác hai chiều V2G (xe đến lưới) và G2V (lưới đến xe)

(4) Cung cấp Điện cho Khu công nghiệp — Bộ định tuyến Năng lượng Khu công nghiệp Thấp carbon (Tích hợp PV-Lưu trữ-Sạc)

Kiến trúc Hệ thống:
Bộ định tuyến năng lượng nối trực tiếp 10kV dựa trên SST, có cổng AC10kV và DC750V, với lưu trữ pin, giao diện sạc DC và thiết bị bảo vệ DC ở phía đầu ra.

Cấu hình cốt lõi:
Tủ SST 315kW, PV 976,12kWp, lưu trữ năng lượng 0,5MW/1,3MWh, 10 trạm sạc DC.

Giá trị áp dụng:

• Giảm chi phí điện thông qua sản xuất PV và lưu trữ năng lượng để cân bằng giá đỉnh

• Giảm nhu cầu công suất trạm, giảm tác động lên lưới và có khả năng mở rộng tốt

• Phía đầu ra "công tắc mạch DC rắn + công tắc ngắt" đảm bảo cách ly lỗi cho lưu trữ và trạm sạc

(5) Tích hợp Năng lượng Tái tạo — Bộ định tuyến Năng lượng DC/DC cho PV đến Hydrogen

Các thông số cốt lõi:

• Chuyển đổi DC/DC cách ly 5MW: đầu vào DC800–1500V, đầu ra DC0–850V, kết nối với thanh bus điện phân hydro

• Công suất tủ đơn: 3/6MVA, có thể mở rộng từ 3–20MVA; điện áp đầu ra có thể điều chỉnh từ DC0–1300V/2000V

Ưu điểm kỹ thuật:

• Giảm số giai đoạn chuyển đổi so với truyền tải AC; hiệu suất tổng thể 96%–98%

• Biến áp DC tần số cao cách ly với topologie chuỗi song song linh hoạt, phù hợp cho PV, lưu trữ, điện đường sắt, sản xuất hydro/nhôm

• Nền tảng mô-đun, có thể cấu hình để đáp ứng nhu cầu lưới DC đa dạng của các ngành công nghiệp

(6) Tối ưu Hóa Mạng Phân phối

Thiết bị Liên kết Linh hoạt Trung và Hạ áp:

• Đáp ứng mất cân đối tải, tăng cường PV phân tán, mở rộng trạm sạc EV và nâng cao độ tin cậy

• Hoạt động bình thường: liên kết lưới không đồng bộ với kiểm soát dòng điện công suất chủ động/phản kháng, cải thiện tích hợp năng lượng tái tạo và cách ly chất lượng điện

• Trường hợp sự cố: cách ly nhanh và tự động chuyển đổi để ngăn ngừa mất điện

Hệ thống Lưu trữ Năng lượng Nối trực tiếp 10kV:

• Kết nối lưới trung và cao áp giảm tổn thất đường dây

• Chuyển đổi hai giai đoạn cho phép điều chỉnh điện áp rộng

• Cấu hình PCS và pin mô-đun

• Dung lượng linh hoạt hơn so với topologie cầu H tầng, đảm bảo an toàn cách điện cho pin và kiểm soát dòng điện toàn chuỗi

(7) Kết nối Lưới ở Bên phát điện — Giao diện Mới Nối trực tiếp 10kV cho Điện Mặt trời

Đặc điểm kỹ thuật:

• Cách ly tần số cao + topologie mạch chính CHB tầng

• Công suất: N×315kVA (có thể mở rộng), đầu ra tương thích với hệ thống 1500V, hiệu suất >98,3%

Ưu điểm cốt lõi:

• Nối trực tiếp trung áp với DC-DC cách ly thực hiện theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) và cách ly/điều chỉnh điện áp

• Kiến trúc hai giai đoạn đơn giản, hiệu suất cao; phản ứng trực tiếp với yêu cầu lưới ở mức 10kV

• Phù hợp với các kịch bản PV phân tán công nghiệp, thương mại và nông thôn

(8) Bên tải — Cung cấp Điện cho Trung tâm Dữ liệu Dựa trên SST

Giải pháp Nối trực tiếp 10kV:

• Công suất 2,5MW (315kW × 8), hiệu suất hệ thống 98,3%, sử dụng chuyển đổi cách ly tần số cao

• Mạng DC vòng 400V ở phía DC

• Kiểm soát PWM toàn phần đạt hệ số công suất bên lưới >0,99, harmonics <3%

Triển vọng Tương lai

Trung tâm trên mạng phân phối AC/DC, mở rộng đến năng lượng tái tạo, giao thông, cung cấp điện, quản lý năng lượng và bảo vệ sự cố, SST cho phép giải pháp hệ thống tích hợp bao gồm:

• Cung cấp điện lai AC/DC

• Tích hợp nguồn-lưới-tải-lưu trữ

• Quản lý năng lượng tối ưu và điều phối dòng điện
  Hỗ trợ xây dựng hệ thống điện thế hệ tiếp theo.

III. Thách thức Áp dụng và Thảo luận

(1) Thách thức về Tính tương thích Bảo vệ Rơle
Cần nghiên cứu về tính tương thích giữa biến áp điện tử và hệ thống phân phối truyền thống, đặc biệt là cho các sự cố ngắn mạch, đất và hở mạch. Cần thiết lập các chiến lược kiểm soát rõ ràng trong quá trình vượt qua sự cố và cơ chế phối hợp bảo vệ rơle.

(2) Thách thức về Tích hợp Điều phối, Quản lý và Giám sát
Sự phổ biến rộng rãi của thiết bị điện tử mới đặt ra vấn đề thích ứng trong điều phối và giám sát, đòi hỏi giải quyết ba nhu cầu cốt lõi:

• Luật Điều phối & Cơ chế Thị trường: Logic “nguồn theo tải” truyền thống không thể đáp ứng tương tác hai chiều “tải-nguồn-lưới”. Cần phát triển cơ chế thị trường dòng điện đa hướng.

• Tiêu chuẩn hóa & Tương tác: Giao thức giao diện thiết bị đa dạng dẫn đến khả năng tương tác kém giữa các nhà cung cấp. Cần thúc đẩy các giao thức truyền thông và bộ lệnh điều khiển tiêu chuẩn.

• Điều phối Tương tác Qua khu vực: Liên kết linh hoạt phá vỡ ranh giới phân vùng truyền thống. Cần thiết lập khung trách nhiệm chung, chia sẻ dự phòng và điều phối tương tác qua khu vực.

Những thách thức này đòi hỏi các tiêu chuẩn và cơ chế giám sát thực thi thống nhất để giải quyết.