Mi az MVDC technológia? Elméleti háttér előnyök kihívások és jövőbeli trendek

A középhatású egyirányú áram (MVDC) technológia egy kulcsfontosságú innováció az áramerősség-átvitel terén, amely célja a hagyományos AC rendszerek korlátainak felülmúlása adott alkalmazásokban. Az elektromos energiát tipikusan 1,5 kV és 50 kV közötti feszültségen átviszi DC formában, ezzel kombinálva a magasfeszültségű DC messzire ható átviteli előnyeit a könnyű manöverezési lehetőségekkel, mint a alacsonyfeszültségű DC elosztás esetében. A nagy léptékű megújuló energia integráció és az új áramhálózati fejlesztések háttérében a MVDC kialakul egy létfontosságú megoldásként a hálózat modernizálásához.

A belső rendszer négy komponensből áll: konverterállomások, DC kábelek, átmeneti lemondók és irányítási/védelmi eszközök. A konverterállomások moduláris több szintű konverter (MMC) technológiát használnak, amely sorosan kapcsolt almodulokon keresztül – mindegyik független kondenzátorokkal és teljesítményes szemilettekkel felszerelve – pontosan irányítja a feszültség hullámformáját. A DC kábelek kereszteződő polyethilén izolációt használnak metall fedéllyel, ami jelentősen csökkenti a vonalveszteségeket. A hibrid DC átmeneti lemondók millisekundumban tudnak hibákat elszigetelni, garantálva a rendszer stabilitását. Az irányítási és védelmi rendszer, valós idejű digitális szimulációs platformokon alapul, millisekundum-szintű hibahely meghatározást és önsajátító képességeket biztosít.

Gyakorlati alkalmazásokban a MVDC sokféle előnnyel büszkélkedhet. Elektromos járművek töltésében a 1,5 kV DC töltők 40%-kal csökkentik a töltési időt, és 30%-kal a berendezések méretét a hagyományos AC töltőkhöz képest. Adatközpontok 10 kV DC energiaarchitektúrával 15%-kal magasabb energiahatékonyságot és közel 8%-kal alacsonyabb elosztási veszteségeket érnek el. Tengeri szélenergia integráció ±30 kV DC gyűjtőrendszerekkel 20%-kal csökkenti a tengeralatti kábelberuházásokat az AC-hez képest, és jelentősen csökkenti a reaktív teljesítmény kiegyenlítési igényét. Városi vasút frissítésekben a MVDC nyomozó rendszerek 50%-kal csökkenthetik az átalakítóállomások számát, a regeneratív fékezési energia visszaszerezése pedig 92%-ra emelkedhet.

A technológia három fő előnyt kínál: 10–15%-kal alacsonyabb átviteli veszteségek, mint az AC rendszerek ugyanazon feszültségi szinten, ideális több pontú elosztott generáció integrációhoz; nincs frekvencia-szinkronizáció szükség, egyszerűsítve a hálózatok közötti összekötést; és mikroszekundum-szintű teljesítmény szabályozási válaszidő, jobb alkalmazkodási képességet biztosítva a fluktuáló energiaforrásokhoz. Ugyanakkor továbbra is vannak kihívások, beleértve a magasabb berendezésköltségeket és a befejezetlen standardizációt – különösen, a nagy kapacitású DC lemondók 3–5-szer annyiak, mint az AC párjaik, és unifikált nemzetközi tanúsítási normák még mindig hiányoznak.

A standardizáció gyorsan halad. Az IEC publikálta az IEC 62897-2020-et a MVDC kábelekhez, Kína CEC kiadta a Q/GDW 12133-2021-et a konverter specifikációkhoz, és az EU Horizon 2020 finanszírozású MVDC hálózat bemutató projekt sikeresen ellenőrizte a 18 kV/20 MW rendszert. A hazai berendezékgyártás eredményeket mutat: kínai gyártók masszal gyártják a 2,5 kV/500 A IGBT modulokat, amelyek dinamikus feszültség kiegyenlítési hibája ±1,5% között van.

A jövőbeli trendek között szerepelnek: a berendezések miniaturizációja – a SiC-alapú kompakt konverterek 40%-kal csökkenthetik a térfogatot; a rendszerek intelligenciája – a digitális ikrek technológiája a berendezések élettartamának előrejelzési pontosságát 95%- fölé emeli; és az alkalmazások kiterjesztése – a tér-alapú napenergia mikrohullámú vezeték nélküli átvitel rendszerei már kezdik a földi fogadó teszteket 55 kV DC architektúrával. Ahogy a teljesítményelektronika költségei folyamatosan csökkennek, a MVDC 2030-ig gazdaságilag előnyesebb lesz, mint a hagyományos AC megoldások az elosztási hálózat frissítései terén.

A technológia üzembe helyezéséhez szükséges ágazati együttműködés. Az áramtervező intézmények 3D digitális tervezési platformokat fejlesztenek a konverterállomások elrendezés optimalizálásához és EMI szimulációhoz. Az egyetemi kutatócsoportok új topológiákat fejlesztenek, a kettős aktív híd konverterek 98,7%-os hatékonyságot érnek el. A szolgáltató pilotprojektjei azt mutatják, hogy az ipari parkokban 20 kV DC mikrohálózatok 85%-kal növelhetik a megújuló energia részarányát. Ezek az initiatívák értékes adatokat szolgáltatnak a technológiai iterációhoz.

Az új áramhálózatokban a MVDC kulcsszerepet játszik, összekötve a UHVDC gerinc hálózatokat és a alacsonyfeszültségű elosztott forrásokat rugalmas, többfeszültségű DC hálózatok formájában. Az esettanulmányok azt mutatják, hogy az intelligens átalakítóállomások 10 kV DC buszáival 25%-kal növelhetik a fotovoltaikus abszorpciót, és fenn tartják a kritikus terheléseket 4 órán keresztül a fő hálózat kimaradása esetén. A digitális hálózatok fejlődésével a MVDC rendszerek egyre inkább integrálódnak az él-számítástechnikával és a blokklánc technológiával, önkéntelen energia internetes csomópontok formájában.

A gyakorlati mérnöki munka részletes figyelemre méltó: a kábeltelepítésnek szigorúan kell ellenőriznie a hajlítási sugárat – a 35 kV DC kábelek esetében legalább 25-szer a kábel átmérője. Az elektromágneses kompatibilitásnak meg kell felelnie a CISPR 22 B osztály szabványának, a konvertertermek fedélzeteinek 60 dB-nél nagyobbnak kell lennie. A működés és karbantartás minden 3 hónapban infravörös termográfiai vizsgálatot és online parciális leadás monitorozást kell tartalmaznia, a küszöbként 20 pC alatt, biztosítva a biztonságos és stabil működést.

Energiaátalakulási szempontból a MVDC kulcsfontosságú lehetővé tényleg nullaszén-díjú hálózatokhoz. Engedélyezi a szél- és napelektromos DC hálózat közvetlen kapcsolódását, 6–8%-kal csökkentve az AC inverzióból eredő energia-veszteséget. A hidrogén termelésben a 10 kV DC energiával működő 50 MW elektrolizerek 12%-kal magasabb hatékonyságot érnek el, mint az AC-meghajtott rendszerek. Az ágazatok közötti alkalmazások kiterjednek: a 3 kV DC energiával működő magnetlevitett vonatok 18%-kal csökkentik a nyomóerő energiafelhasználását. Ezek az innovációk átalakítják az energia felhasználását.

Az ágazat találkozik szakképes munkaerőhiányával. Jelentős szakmai szakemberek hiánya van, akik mind a teljesítményelektronikában, mind a hálózatműködésben kifogástalanul járatosak. Kínai egyetemek bevezettek specializált MVDC kurzusokat, és a Nemzeti Szakmai Minősítési Katalógusban most már szerepel a DC elosztási mérnök minősítés. A vállalati képzési központok teljes skálájú szimulációs platformokat használnak a személyzet képzésére különböző hibaesetekben. Ez a szakmai fejlesztési modell rövidíti a technológiaátviteli ciklusokat, és gyorsítja az innovációk üzembe helyezését.