Από την Έρευνα στην Εφαρμογή: Το Καινοτόμο Σάλτο στην Ανάπτυξη Μετατροπέα Δεσμευμένου Κατάστατου στο Ηνωμένο Βασίλειο

I. Επισκόπηση των Στερεών Μετατροπέων (SST)

Ένας Στερεός Μετατροπέας (SST) είναι ένα προηγμένο συστήμα μετατροπής ενέργειας που ενσωματώνει υψηλής δυνάμεως σεμικινητές, υψηλής συχνότητας μετατροπείς και ελεγκτικά κύκλωματα.

Σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς μετατροπείς, ο SST υποστηρίζει μετατροπές AC/AC, AC/DC και DC/DC, και παρουσιάζει πλεονεκτήματα όπως δικτυακό ρεύμα, νοημονικός έλεγχος και κομψή σχεδίαση. Τα βασικά του τοπολογικά περιλαμβάνουν μονο-στάδιο, δι-στάδιο (με σύνδεση LVDC ή HVDC) και τρι-στάδιο σχήματα, καθένα από τα οποία είναι κατάλληλο για συγκεκριμένες εφαρμογές.

II. Πλεονεκτήματα των SST

• Κομψή μορφή και ελαφρύ βάρος: Η λειτουργία σε υψηλή συχνότητα μειώνει τον όγκο κατά 80%.

• Υψηλή απόδοση: Λιγότερες στάδια μετατροπής και υποστήριξη άμεσης σύνδεσης DC.

• Συμβατότητα με προηγμένα δίκτυα: Δυνατότητα πραγματικού χρόνου παρακολούθησης, ρύθμισης τάσης, αντιστάθμισης ανενεργού ρεύματος και απομόνωσης σφαλμάτων.

• Ενσωμάτωση με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και συστήματα αποθήκευσης: Άμεση σύνδεση σε φωτοβολταϊκά, ανεμογεννήτριες και συστήματα μπαταριών.

• Κατάλληλος για υψηλά αναπτυσσόμενες αγορές: Όπως η ταχεία φόρτιση ηλεκτρικών οχημάτων, κέντρα δεδομένων και σιδηροδρομικό μεταφορικό σύστημα.

III. Πεδία Εφαρμογής

• Δίκτυο Ρεύματος: Αυξάνει την ευελιξία του δικτύου, υποστηρίζει δικτυακό ρεύμα και ενσωματώνει διανεμημένες πηγές ενέργειας.

• Φόρτιση Ηλεκτρικών Οχημάτων (EV): Επιτρέπει ταχεία φόρτιση (350kW+), λειτουργία Vehicle-to-Grid (V2G) και άμεση ενσωμάτωση ανανεώσιμης ενέργειας.

• Σιδηροδρομικό Μεταφορικό Σύστημα: Αντικαθιστά τους παραδοσιακούς τροχοποιητικούς μετατροπείς, μειώνοντας το βάρος και βελτιώνοντας την απόδοση.

• Κέντρα Δεδομένων: Βελτιώνει την ενεργειακή απόδοση, μειώνει τις απαιτήσεις ψύξης και υποστηρίζει την ενσωμάτωση ανανεώσιμης ενέργειας.

• Ναυτιλία και Αεροπορία: Προωθεί την μετατροπή σε ηλεκτρική κίνηση και μειώνει τις εκπομπές άνθρακα.

IV. Τεχνικές Προκλήσεις

• Υψηλό Κόστος: Το κόστος των SST είναι 5-10 φορές το κόστος των παραδοσιακών μετατροπέων.

• Προβλήματα Αξιοπιστίας: Αδύναμη αντοχή σε σύντομη σύνδεση, και οι σεμικινητές συσκευές είναι ευάλωτες σε ισχυρή τάση.

• Ενοχλητική Ηλεκτρομαγνητική Διαταραχή: Η υψηλή συχνότητα σετ σετ προκαλεί ηλεκτρομαγνητική διαταραχή, απαιτώντας περίπλοκο σχεδιασμό φίλτρων.

• Μόνωση και Θερμοκρασιακή Διαχείριση: Η απόδοση των μονωτικών υλικών σε υψηλές συχνότητες δεν έχει ακόμα πλήρως κατανοηθεί.

• Οδηγική Ενεργοποίηση και Προστασία: Ο σχεδιασμός είναι περίπλοκος, απαιτεί μόνωση και υψηλή ακρίβεια ελέγχου.

V. Ευκαιρίες Αγοράς στο Ηνωμένο Βασίλειο

• Σύγχρονο Δίκτυο: Το Ηνωμένο Βασίλειο έχει περίπου 585.000 υποσταθμούς, από τις οποίες 230.000 διανεμητικές υποσταθμούς μπορούν να επωφεληθούν από τους SST.

• Στόχοι Ανανεώσιμης Ενέργειας: Οι στόχοι για το 2030 περιλαμβάνουν 50GW ανεμογεννήτριας ενέργειας και 47GW φωτοβολταϊκής ενέργειας.

• Ινφραστρούκτουρα Φόρτισης EV: Εκτιμάται ότι θα χρειαστούν 300.000 δημόσιες στήλες φόρτισης μέχρι το 2030, και ο χώρος της ταχείας φόρτισης έχει μεγάλο δυναμικό.

• Ηλεκτροφορία Σιδηροδρόμων: Περίπου 2.880 διεργαστικά σιδηροδρομικά οχήματα πρόκειται να αντικατασταθούν, και το δυναμικό της αγοράς SST υπερβαίνει τα £30 εκατομμύρια.

• Αύξηση Κέντρων Δεδομένων: Η απαίτηση ενέργειας συνεχίζει να αυξάνεται, και οι SST μπορούν να βελτιώσουν την ενεργειακή απόδοση και ευελιξία.

VII. Η Ρόλη του CSA Catapult

• Παρέχει πλήρη τεχνική υποστήριξη για τους SST, συμπεριλαμβανομένων του σχεδιασμού, προσομοιώσεων και επαλήθευσης πρωτοτύπων.

• Προωθεί έργα όπως το ASSIST για την ανάπτυξη της εσωτερικής αλυσίδας εφοδιασμού υψηλής τάσης Si συσκευών στο Ηνωμένο Βασίλειο.

• Διαθέτει πυρήνιες δυνατότητες, συμπεριλαμβανομένης της πολυσκοπικής βελτιστοποίησης, προηγμένης συσκευασίας και θερμοκρασιακής διαχείρισης.