ماذا تعني تقنية MVDC؟ فوائدها، تحدياتها واتجاهاتها المستقبلية

تعد تقنية التيار المستمر المتوسطة الجهد (MVDC) من الابتكارات الرئيسية في نقل الطاقة، مصممة للتغلب على قيود الأنظمة التقليدية ذات التيار المتناوب في تطبيقات معينة. من خلال نقل الطاقة الكهربائية عبر التيار المستمر بجهد يتراوح عادة بين 1.5 كيلوفولت و50 كيلوفولت، فإنها تجمع بين مزايا نقل الطاقة على مسافات طويلة للتيار المستمر العالي الجهد والمرونة في توزيع التيار المستمر المنخفض الجهد. في ظل دمج الطاقة المتجددة على نطاق واسع وتطوير أنظمة الطاقة الجديدة، تظهر MVDC كحل رئيسي لتحديث الشبكات.

يتكون النظام الأساسي من أربعة مكونات: محطات التحويل، وأسلاك التيار المستمر، ومفاتيح الدائرة، وأجهزة التحكم/الحماية. تستخدم محطات التحويل تقنية المحول متعدد المستويات النمطي (MMC)، مما يحقق تحويل الطاقة بكفاءة عالية من خلال الوحدات الفرعية المتصلة بالسلسلة - كل منها مزود بمكثف مستقل وconductors شبه موصلين لتحكم دقيق في موجات الجهد. تستخدم أسلاك التيار المستمر العازل البولي إيثيلين المتشابك مع درع معدني، مما يقلل بشكل كبير من خسائر الخط. يمكن لمفاتيح الدائرة الهجينة للتيار المستمر عزل الأعطال في غضون ميلي ثانية، مما يضمن استقرار النظام. نظام التحكم والحماية، القائم على منصات المحاكاة الرقمية في الوقت الحقيقي، يتيح تحديد أعطال بدقة ميلي ثانية وقدرات الشفاء الذاتي.

في التطبيقات العملية، تظهر MVDC فوائد متنوعة. في شحن السيارات الكهربائية، تقلل شواحن 1.5 كيلوفولت DC من وقت الشحن بنسبة 40٪ ومن مساحة المعدات بنسبة 30٪ مقارنة بشواحن التيار المتناوب التقليدية. تحقق مراكز البيانات التي تستخدم هياكل طاقة 10 كيلوفولت DC كفاءة طاقة أعلى بنسبة أكثر من 15٪ وخسائر توزيع أقل بنسبة حوالي 8٪. يقلل دمج الطاقة الرياحية البحرية باستخدام أنظمة جمع ±30 كيلوفولت DC من استثمار الكابلات البحرية بنسبة 20٪ مقارنة بالتيار المتناوب ويقلل بشكل كبير من احتياجات تعويض الطاقة غير النشطة. تظهر تحسينات النقل الحضري للسكك الحديدية أن أنظمة السحب MVDC يمكن أن تقلل من عدد المحولات بنسبة 50٪، مع الوصول إلى استعادة طاقة الفرملة التجددية بنسبة 92٪.

تقدم التقنية ثلاثة مزايا رئيسية: خسائر نقل أقل بنسبة 10-15٪ مقارنة بأنظمة التيار المتناوب عند نفس مستوى الجهد، وهي مثالية لتكامل التوليد الموزع متعدد النقاط؛ لا حاجة للمزامنة الترددي، مما يبسّط الاتصال بين الشبكات؛ والاستجابة التنظيمية للطاقة على مستوى الميكروثانية، مما يوفر أفضل مرونة لمصادر الطاقة المتقلبة. ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات، بما في ذلك تكاليف المعدات الأعلى وعدم الاكتمال في التقييس - خاصة، تكلف مفاتيح الدائرة الهجينة ذات السعة الكبيرة 3-5 مرات أكثر من مكافئاتها في التيار المتناوب، ولا تزال معايير التصديق الدولية الموحدة غير متوفرة.

تسارع عملية التقييس. نشرت IEC IEC 62897-2020 لأسلاك MVDC، وأصدرت CEC الصينية Q/GDW 12133-2021 لمواصفات المحولات، وانجز مشروع تجريبي شبكة MVDC الممول من الاتحاد الأوروبي من خلال برنامج Horizon 2020 اختبارات التحقق لنظام 18 كيلوفولت/20 ميجاوات. حققت صناعة تصنيع المعدات المحلية اختراقات: أصبح الصانعون الصينيون ينتجون بشكل جماعي وحدات IGBT بحجم 2.5 كيلوفولت/500 أمبير مع خطأ توازن الجهد الديناميكي ضمن ±1.5٪.

تشمل الاتجاهات المستقبلية: تصغير الأجهزة - يمكن أن تقلل المحولات المدمجة القائمة على SiC من الحجم بنسبة 40٪؛ ذكاء النظام - تحسن تقنية التوأم الرقمي دقة توقع عمر المعدات إلى أكثر من 95٪؛ وتوسع التطبيقات - بدأت أنظمة نقل الطاقة الشمسية القائمة على الموجات الدقيقة اللاسلكية في الفضاء اختبارات الاستقبال الأرضي باستخدام هياكل 55 كيلوفولت DC. مع استمرار انخفاض تكاليف الإلكترونيات القوة، من المتوقع أن تصبح MVDC اقتصادياً أفضل من الحلول التقليدية للتيار المتناوب في تحديث شبكات التوزيع بحلول عام 2030.

يتطلب نشر التكنولوجيا التعاون بين القطاعات. تقوم المعاهد الهندسية للطاقة بتطوير منصات تصميم رقمية ثلاثية الأبعاد لتحسين تخطيط محطات التحويل ومحاكاة التداخل الكهرومغناطيسي. تقدم فرق البحث الجامعي تبويبات جديدة، حيث حققت المحولات ذات الجسر الثنائي النشط كفاءة تبلغ 98.7٪. تظهر مشاريع التجربة الأولية للمرافق أن شبكات الدائرة الصغيرة ذات التيار المستمر 20 كيلوفولت في المناطق الصناعية يمكن أن تزيد من نفوذ الطاقة المتجددة إلى أكثر من 85٪. توفر هذه المبادرات بيانات قيمة لاستنساخ التكنولوجيا.

في الأنظمة الكهربائية الجديدة، تلعب MVDC دوراً محورياً، حيث تربط شبكات العمود الفقري UHVDC ومصادر التوزيع ذات الجهد المنخفض لتشكيل شبكات تيار مستمر مرنة متعددة الجهد. تظهر دراسات الحالة أن المحولات الذكية ذات حافلات 10 كيلوفولت DC يمكن أن تزيد من امتصاص الطاقة الشمسية بنسبة 25٪ وتقوم بدعم الأحمال الحرجة لمدة تزيد عن 4 ساعات خلال انقطاع الشبكة الرئيسية. مع تقدم تطور الشبكات الرقمية، تندمج أنظمة MVDC بشكل متزايد مع الحوسبة الحافة والبلوكتشين لتشكيل عقد إنترنت الطاقة ذات التنظيم الذاتي.

يتطلب الهندسة العملية الانتباه للتفاصيل: يجب السيطرة بدقة على نصف قطر الانحناء عند تركيب الكابلات - الحد الأدنى 25 مرة قطر الكابل لأسلاك 35 كيلوفولت DC. يجب أن تلتزم comptability الكهرومغناطيسي بمعايير CISPR 22 Class B، مع فعالية الدرع لغرف المحولات تتجاوز 60 ديسيبل. يجب أن تشمل التشغيل والصيانة التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء كل 3 أشهر ومراقبة التفريغ الجزئي عبر الإنترنت بأعتبارات أقل من 20 pC، مما يضمن التشغيل الآمن والاستقرار.

من منظور التحول الطاقي، تعد MVDC تمكيناً رئيسياً للشبكات الخالية من الكربون. تسمح بتوصيل الشبكة الكهربائية المباشرة للرياح والطاقة الشمسية، مما يلغي خسارة 6-8٪ من الطاقة من الالتفاف AC. في إنتاج الهيدروجين، تحقق الألكتروليزرز بقوة 50 ميجاوات باستخدام طاقة 10 كيلوفولت DC كفاءة أعلى بنسبة 12 نقطة مئوية من الأنظمة ذات التيار المتناوب. تتوسع التطبيقات عبر الصناعات: تقلل القطارات المغناطيسية باستخدام طاقة 3 كيلوفولت DC من استهلاك الطاقة للسحب بنسبة 18٪. تعمل هذه الابتكارات على إعادة تشكيل استخدام الطاقة.

تواجه الصناعة نقصاً في الكفاءات. هناك فجوة كبيرة في المهنيين الذين يتمتعون بمهارات في الإلكترونيات الكهربائية وعمليات الشبكات. قد أدخلت الجامعات الصينية دورات متخصصة في MVDC، ويشمل الآن كتالوج المؤهلات المهنية الوطنية شهادة مهندس توزيع التيار المستمر. تستخدم مراكز التدريب الشركات منصات محاكاة كاملة لتدريب الأفراد على الاستجابة للطوارئ في سيناريوهات أعطال مختلفة. يعمل هذا نموذج تطوير الكفاءات على تقصير دورة نقل التكنولوجيا وتسريع نشر الابتكارات.