Mis on MVDC-tehnoloogia? Eelised näidikud & tulevased trendid

Keskjõuline otsene vool (MVDC) on võimsusüsteemide edasijõudnud tehnoloogia, mille eesmärk on ületada tavaliste vaikevoolu süsteemide piiranguid konkreetsetes rakendustes. Elektriliivi edastamisega otsenes vool tavapäraselt 1,5 kV kuni 50 kV jõudlusega ühendab see kõrgepinge otsene voolu kaugedistantsi edastamise eeliseid madalpinge otsese voolu jaotamise paindlikkusega. Suurte taastuvenergiaallikate integreerimise ja uute võrkude arendamise taustal on MVDC muutunud võrgu moderniseerimise oluliseks lahenduseks.

Tegeliku süsteemi tuum moodustavad neli komponenti: teisenditsoonid, DC-kaabel, lülitid ja juhtimis/kaitse seadmed. Teisenditsoonides kasutatakse modulaarse mitme taseme teisenditehnoloogiat (MMC), mis saavutab kõrgetehilise energia teisendamise ridaühendatud alammodulite kaudu - igaüks varustatud sõltumatute kondensaatorite ja energiaseadmetega, et täpselt kontrollida pingevormi. DC-kaabelt kasutatakse ristkriipsutatud polüetüleeni eraldusmaterjali metallikas kaitsega, mis oluliselt vähendab liinikaotusi. Hübriid-DC-lülitid suudavad millisekundites isoleerida vigu, tagades süsteemi stabiilsuse. Juhtimis- ja kaitse süsteem, mis põhineb reaalajas digitaalsel simulatsiooniplatvormil, võimaldab millisekundite tarkuses vigade asukoha määramist ja omavolilisi taastumisvõimeid.

Praktikas näitab MVDC mitmekülgseid eeliseid. Sõidukide laadimisel vähendavad 1,5 kV DC-laadimissüsteemid laadimisaega 40% ja seadmete mahutust 30% võrreldes tavaliste AC-laadimissüsteemidega. Andmesüsteemides, mis kasutavad 10 kV DC-energiaarhitektuuri, saavutatakse üle 15% suurem energiatõhusus ja umbes 8% väiksemad jaotuskaotused. Merelises tuuleenergia integreerimisel vähendab ±30 kV DC-kogumissüsteem merekaabe investeeringuid 20% võrreldes AC-ga ja oluliselt vähendab reageeriva võimu kompenseerimise vajadust. Linnaliste raudteeüksuste uuendamisel näitab MVDC vedeliku süsteem, et substaatsioonide arv väheneb 50%, regeneratiivne brekiv energiakogumine ulatub 92%.

Tehnoloogia pakub kolme peamist eelist: 10–15% väiksemad edastamiskaotused kui sama voltageni AC-süsteemidel, ideaalne mitme punkti hajus tootmise integreerimiseks; ei ole vaja sageduse sünkroniseerimist, mis lihtsustab võrkude vahelise ühenduse; mikrosekundite tarkuses reageerimisvõime, mis pakub paremat kohanemisvõimet hüppelisele energiale. Siiski on endiselt väljakutseid, sealhulgas kõrgemad seadmete kulud ja ebatäielik standardiseerimine – eriti maksavad suuremahulised DC-lülitid 3–5 korda rohkem kui AC-analoogid, ja ühtset rahvusvahelist sertifitseerimisstandardi veel ei eksisteeri.

Standardiseerimine kiireneb. IEC on avaldanud IEC 62897-2020 MVDC-kaablite jaoks, Hiina CEC on välja andnud Q/GDW 12133-2021 teisendite spetsifikatsioonide jaoks, ning ELi Horizon 2020 rahastatud MVDC-võrgu demonstratsiooniprojekt on lõpetanud 18 kV/20 MW süsteemi valideerimistestid. Kodusel tootmisel on tehtud läbimurdeid: hiinlaste tootjad massitoovad 2,5 kV/500 A IGBT-mooduleid, mille dünaamiline pingevõrdlemise vea on ±1,5%.

Tulevased trendid hõlmavad: seadmete miniaturiseerimist – SiC-põhiste kompaktsete teisendite abil saab mahtu vähendada 40%; süsteemi intelligentsust – digitaalsete dubliini tehnoloogiaga paraneb seadmete elueaa prognooside täpsus üle 95%; rakenduse laiendamist – kosmoses asuvate päikeseenergia mikrokiirgusega tehisliikumise süsteemide maapindlikud vastuvõtmisproovid kasutavad 55 kV DC-arhitektuuri. Kuna võimeteenuste elektronikakulud jätkavad langust, on MVDC eeldatavasti majanduslikult eelistatav traditsioonilistele AC-lahendustele jaotusvõrkude uuendamisel 2030. aastaks.

Tehnoloogia rakendamine nõuab riikidevahelist koostööd. Energiajuhtimisasutused arendavad 3D-digitaalseid disainplatvorme teisenditsoonide paigutuse optimiseerimiseks ja EMI-simulatsioonideks. Ülikoolide uurimisteadlaste töörühmad edendavad uusi topoloogiaid, kus dualaktiivsed silmikud saavutavad 98,7% efektiivsust. Elektrivõrkude pilootprojektid näitavad, et 20 kV DC-mikrovõrkud tööstuspargides suurendavad taastuvenergia osakaalu üle 85%. Need algatused pakuvad väärtuslikku andmeid tehnoloogia iteratsiooniks.

Uutes võrkudes mängib MVDC olulist rolli, ühendades UHVDC-tagavaravõrkude ja madalpinge hajus allikate, et luua paindlikke, mitmevoltageni DC-võrkke. Praktikakogemused näitavad, et intelligentsed substaatsioonid 10 kV DC-bussiga suurendavad fotogaania absorptiooni 25% ja suudavad kriitilisi koormusi üle 4 tunni jooksul hoolda põhivõrgu katkemisel. Kui digitaalne võrk areneb, siis MVDC-süsteemid integreeruvad üha rohkem servarapid ja blockchain-tehnoloogiatega, et moodustada automaatreguleeritud energiainterneti nodid.

Praktikas nõuab kaabelite paigutamisel tähelepanu detailidele: kaabelite paindetäius tuleb rangelt kontrollida – 35 kV DC-kaabelite puhul minimaalselt 25 korda kaabeli diameeter. Elektromagnetiline sõltuvus peab vastama CISPR 22 klassi B standarditele, teisenditsoonide ruumide ekraanide tõhusus ületab 60 dB. Tehniline hooldus peaks sisaldama kvartalitervise infrapunakasva analüüsi ja online osaliselt laengutamise jälgimist, mille limiit on alla 20 pC, tagades ohutu ja stabiilse toimimise.

Energiateaduslikult on MVDC oluline võti nullkarboni võrkudele. See lubab otsest DC-võrgu ühendust tuule- ja päikeseenergiaga, vältides 6–8% energiakaotust AC-inversioonist. Veeära tootmisel saavutavad 50 MW elektrolüsaatorid 10 kV DC-toega 12 protsendipunkti suuremat tõhusust kui AC-toodud süsteemid. Risttegurlikud rakendused laienevad: magneetlevitavaid ronge, mis kasutavad 3 kV DC-tood, vähendavad vedeliku energiakasutust 18%. Need innovatsioonid muutavad energiakasutust.

Tööstusel on spetsialistide puudus. On oluline puudujääk nii võimeteenuste elektronikas kui ka võrkude toimimises oskavate spetsialistide vahel. Hiina ülikoolid on sisse viinud spetsiaalseid MVDC-kursuseid, ja Rahvusliku Töökvalifikatsioonide Kataloog sisaldab nüüd DC-Jaotuse Inseneri sertifikaati. Ettevõtluslike koolituskeskused kasutavad täismahulisi simulatsiooniplatvorme, et õppida inimesi erinevate vigade stsenaariumite korral hädaolukordade lahendamiseks. See oskuste arendamise mudel lühendab tehnoloogiate levikutsükli ja kiirendab innovatsioonide rakendamist.