چه چیزی MVDC تکنولوژی است؟ مزایا، چالش‌ها و روندهای آینده

فناوری جریان مستقیم با ولتاژ متوسط (MVDC) از نوآوری‌های کلیدی در انتقال انرژی الکتریکی است که برای غلبه بر محدودیت‌های سیستم‌های سنتی AC در برنامه‌های خاص طراحی شده است. با انتقال انرژی الکتریکی از طریق DC در ولتاژهای معمولاً بین ۱.۵ کیلوولت تا ۵۰ کیلوولت، این فناوری مزایای انتقال بلند مسافت انرژی با ولتاژ بالای DC را با انعطاف‌پذیری توزیع DC با ولتاژ پایین ترکیب می‌کند. در زمینه یکپارچه‌سازی مقیاس وسیع منابع تجدیدپذیر و توسعه سیستم‌های قدرت جدید، MVDC به عنوان یک راه‌حل محوری برای مدرن‌سازی شبکه ظاهر شده است.

سیستم اصلی شامل چهار مؤلفه است: ایستگاه‌های تبدیل، کابل‌های DC، دستگاه‌های قطع‌کننده مدار و دستگاه‌های کنترل/حفاظت. ایستگاه‌های تبدیل از فناوری تبدیل‌کننده چندسطحی ماژولار (MMC) استفاده می‌کنند که با استفاده از زیرماژول‌های سری‌پیوندی - هر یک با خازنهای مستقل و نیمه‌رساناها - موج‌های ولتاژ را با دقت کنترل می‌کنند. کابل‌های DC از عایق پلی‌اتیلن متقاطع با محافظ فلزی استفاده می‌کنند که به طور قابل توجهی ضریب اتلاف خط را کاهش می‌دهد. قطع‌کننده‌های مدار DC هیبریدی قادر به جدا کردن خطاها در چند میلی‌ثانیه هستند که این عمل پایداری سیستم را تضمین می‌کند. سیستم کنترل و حفاظت که بر پایه پلتفرم‌های شبیه‌سازی دیجیتال زنده عمل می‌کند، توانایی یافتن محل خطا در سطح میلی‌ثانیه و قابلیت خودرویایی را فراهم می‌کند.

در کاربردهای عملی، MVDC مزایای متنوعی را نشان می‌دهد. در شارژ خودروهای برقی، شارژرهای ۱.۵ کیلوولت DC زمان شارژ را ۴۰٪ کاهش می‌دهند و حجم تجهیزات را ۳۰٪ نسبت به شارژرهای AC سنتی کاهش می‌دهند. مراکز داده که از معماری قدرت ۱۰ کیلوولت DC استفاده می‌کنند، ۱۵٪ به بالا کارایی انرژی بیشتر و حدود ۸٪ اتلاف توزیع کمتری دارند. در یکپارچه‌سازی بادخیز دریایی با استفاده از سیستم‌های جمع‌آوری ±۳۰ کیلوولت DC، سرمایه‌گذاری در کابل‌های زیردریایی ۲۰٪ کاهش می‌یابد نسبت به AC و نیاز به جبران توان واکنشی به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. به‌روزرسانی‌های حمل و نقل ریلی شهری نشان می‌دهد که سیستم‌های MVDC تعداد زیراستانیون‌ها را ۵۰٪ کاهش می‌دهند و بازیابی انرژی با ریختن بازیابی ترمز به ۹۲٪ می‌رسد.

این فناوری سه مزیت اصلی را ارائه می‌دهد: ۱۰-۱۵٪ اتلاف انتقال کمتر نسبت به سیستم‌های AC در همان سطح ولتاژ، که برای یکپارچه‌سازی تولید چند نقطه‌ای مطلوب است؛ نیازی به همزمان‌سازی فرکانس ندارد که اتصال بین شبکه‌ها را ساده می‌کند؛ و پاسخ تنظیم توان در سطح میکروثانیه، که تطبیق‌پذیری بهتری با منابع متلاطم توان ارائه می‌دهد. با این حال، چالش‌هایی وجود دارد، از جمله هزینه‌های تجهیزات بالاتر و استانداردسازی ناقص - به خصوص، قطع‌کننده‌های DC با ظرفیت بزرگ ۳-۵ برابر گران‌تر از معادل‌های AC هستند و استانداردهای معتبر بین‌المللی یکپارچه هنوز کامل نیستند.

استانداردسازی در حال تسریع است. IEC استاندارد IEC 62897-2020 برای کابل‌های MVDC منتشر کرده است، CEC چین استاندارد Q/GDW 12133-2021 برای مشخصات تبدیل‌کننده‌ها را منتشر کرده است، و پروژه نمونه شبکه MVDC مورد حمایت افق ۲۰۲۰ اتحادیه اروپا آزمون اعتباریابی یک سیستم ۱۸ کیلوولت/۲۰ مگاوات را کامل کرده است. صنعت تولید تجهیزات داخلی پیشرفت‌هایی داشته است: تولیدکنندگان چینی حالا ماژول‌های IGBT ۲.۵ کیلوولت/۵۰۰ آمپر را به تولید انبوه رسانده‌اند که خطای تعادل ولتاژ پویا در ±۱.۵٪ است.

روند آینده شامل: کوچک‌سازی دستگاه‌ها - تبدیل‌کننده‌های فشرده مبتنی بر SiC حجم را ۴۰٪ کاهش می‌دهند؛ هوشمندسازی سیستم - فناوری دیجیتال توام عمر تجهیزات را با دقت بیش از ۹۵٪ پیش‌بینی می‌کند؛ و گسترش کاربرد - سیستم‌های انتقال بی‌سیم مایکروویو انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا با استفاده از معماری ۵۵ کیلوولت DC آزمون‌های دریافت زمینی را آغاز کرده‌اند. با ادامه کاهش هزینه‌های الکترونیک قدرت، MVDC تا سال ۲۰۳۰ از نظر اقتصادی نسبت به راه‌حل‌های AC سنتی در به‌روزرسانی شبکه‌های توزیع برتری پیدا خواهد کرد.

انتشار فناوری نیازمند همکاری بین‌بخشی است. مراکز طراحی قدرت در حال توسعه پلتفرم‌های طراحی دیجیتال ۳D برای بهینه‌سازی ترتیب ایستگاه‌های تبدیل و شبیه‌سازی EMI هستند. تیم‌های تحقیقاتی دانشگاهی توپولوژی‌های نوآورانه را پیش می‌برند، با تبدیل‌کننده‌های پل دوگانه فعال که کارایی ۹۸.۷٪ دارند. پروژه‌های نمونه شرکت‌های توزیع نشان می‌دهد که شبکه‌های میکرو ۲۰ کیلوولت DC در پارک‌های صنعتی می‌توانند نفوذ تجدیدپذیر را به بیش از ۸۵٪ افزایش دهند. این مبادرت‌ها داده‌های با ارزشی برای تکرار فناوری ارائه می‌دهند.

در سیستم‌های قدرت جدید، MVDC نقش محوری را بازی می‌کند، با اتصال شبکه‌های پشتیبان UHVDC و منابع توزیع شده با ولتاژ پایین برای تشکیل شبکه‌های DC چند ولتاژی انعطاف‌پذیر. مطالعات موردی نشان می‌دهد که زیراستانیون‌های هوشمند با بارهای ۱۰ کیلوولت DC می‌توانند جذب فتوولتائیک را ۲۵٪ افزایش دهند و بارهای بحرانی را برای بیش از ۴ ساعت در حالت خاموشی شبکه اصلی حفظ کنند. با پیشرفت توسعه شبکه دیجیتال، سیستم‌های MVDC به طور فزاینده‌ای با محاسبات لبه و بلاکچین یکپارچه شده تا گره‌های خودتنظیم‌کننده اینترنت انرژی را تشکیل دهند.

مهندسی عملی نیازمند توجه به جزئیات است: نصب کابل‌ها باید شعاع خمیدگی را به صورت دقیق کنترل کند - حداقل ۲۵ برابر قطر کابل برای کابل‌های ۳۵ کیلوولت DC. سازگاری الکترومغناطیسی باید به استاندارد CISPR 22 Class B مطابقت داشته باشد، با اثر محافظ اتاق تبدیل بیش از ۶۰ dB. عملیات و نگهداری باید شامل حرارت‌نگاری اشعه‌ای هر ۳ ماه و مانیتورینگ آنلاین تخلیه‌ی جزئی با آستانه کمتر از ۲۰ pC باشد تا عملکرد ایمن و پایدار تضمین شود.

از دیدگاه تغییر انرژی، MVDC یک عامل کلیدی برای شبکه‌های بدون کربن است. این فناوری اجازه اتصال مستقیم شبکه DC برای باد و خورشید را می‌دهد، که ۶-۸٪ اتلاف انرژی از تبدیل AC را حذف می‌کند. در تولید هیدروژن، الکترولیزرهای ۵۰ MW با استفاده از قدرت ۱۰ کیلوولت DC ۱۲ درصد کارایی بیشتری نسبت به سیستم‌های AC دارند. کاربردهای بین‌صنعتی در حال گسترش هستند: قطارهای مغناطیسی شناور با استفاده از قدرت ۳ کیلوولت DC مصرف انرژی تحرک را ۱۸٪ کاهش می‌دهند. این نوآوری‌ها نحوه استفاده از انرژی را تغییر می‌دهند.

صنعت با کمبود نیروی انسانی مواجه است. اختلاف قابل توجهی در متخصصان ماهر در هر دو حوزه الکترونیک قدرت و عملیات شبکه وجود دارد. دانشگاه‌های چین دوره‌های تخصصی MVDC را معرفی کرده‌اند و کاتالوگ ملی مجوزهای شغلی اکنون شامل گواهینامه مهندس توزیع DC است. مراکز آموزش شرکت‌ها از پلتفرم‌های شبیه‌سازی کامل برای آموزش کارکنان در پاسخ‌های اضطراری تحت سناریوهای مختلف خطا استفاده می‌کنند. این مدل توسعه نیروی انسانی دورة تبدیل فناوری را کوتاه می‌کند و نشر نوآوری را تسریع می‌دهد.