Kas ir MVDC tehnoloģija? Ieguvumi priekšrocības un nākotnes tendences

Vidējā sprieguma gājiena strāva (MVDC) ir būtiska inovācija enerģijas pārraidei, kas izstrādāta, lai pārvarētu tradicionālo MA sistēmu ierobežojumus konkrētās lietojumprogrammās. Pārraides elektroenerģijas DC ar spriegumu, kas parasti atrodas robežās no 1,5 kV līdz 50 kV, tā apvieno augstā sprieguma DC priekšrocības attālā pārraidei ar zemā sprieguma DC sadalīšanas elastību. Lielmērīgu atjaunojamās enerģijas integrācijas un jaunu enerģijas sistēmu attīstības fona pretim MVDC kļūst par galveno risinājumu tīklu modernizācijai.

Galvenais sistēmas sastāvs ietver četrus komponentus: pārveidotāju stacijas, DC kabeles, šķēršņu automātus un vadības/aizsardzības ierīces. Pārveidotāju stacijās tiek izmantota modulāra multilīmeņa pārveidotāju (MMC) tehnoloģija, sasniegta augsta efektivitāte enerģijas pārveidošanā, izmantojot sērijveida savienojumā esošus submoduļus—katrs aprīkots ar neatkarīgiem kondensatoriem un enerģijas poliektronikas ierīcēm, lai precīzi kontrolētu sprieguma formu. DC kabeļi izmanto caurulesvilksnes polietilēna izolāciju ar metāllīnijas aizsargu, ļoti samazinot līnijas zudumus. Hibrīda DC šķēršņu automāti var izolēt kļūdas milisekundes laikā, nodrošinot sistēmas stabilitāti. Vadības un aizsardzības sistēma, balstīta uz reāllaika digitālajiem simulācijas platformām, ļauj noteikt kļūdas novietojumu un veikt pašuzlabojanos milisekundēs.

Praktiskajos lietojumos MVDC demonstrē dažādas priekšrocības. Elektromobiļu uzlādēšanā 1,5 kV DC uzlādētāji samazina uzlādes laiku par 40% un iekārtu platumu par 30% salīdzinājumā ar tradicionālajiem MA uzlādētājiem. Datu centri, izmantojot 10 kV DC enerģijas arhitektūru, sasniedz par 15% augstāku enerģijas efektivitāti un aptuveni 8% zemākus sadalīšanas zudumus. Jūras vēja parku integrācijā, izmantojot ±30 kV DC apkopošanas sistēmas, samazina jūras kabeļu investīcijas par 20% salīdzinājumā ar MA un būtiski samazina nepieciešamību pēc reaktivās jaudas kompensācijas. Pilsētas dzelzceļa transporta modernizācijā MVDC trakcijas sistēmas var samazināt apgabalu skaitu par 50%, ar regeneratīvo brīdināšanas enerģijas atlīdzināšanu, kas sasniedz 92%.

Tehnoloģija piedāvā trīs galvenās priekšrocības: 10–15% zemāki pārraides zudumi nekā MA sistēmās vienādā sprieguma līmenī, ideāli piemērots vairākpunktu sadalītās enerģijas ražošanas integrācijai; nav nepieciešams frekvences sinhronizācijas, vienkāršojot tīklu savienojumu; un mikrosekundēs enerģijas regulācijas reakcija, nodrošinot labāku pielāgošanos nestabilām enerģijas avotiem. Tomēr, problēmas saglabājas, tostarp augstākas iekārtu izmaksas un nepilnīga standartizācija—jo īpaši, lielu jaudas DC šķēršņu automātu cena ir 3–5 reizes lielāka nekā MA ekvivalentiem, un vienotas starptautiskās sertifikācijas standarti joprojām ir nepilnīgi.

Standartizācija paātrinās. IEC ir publicējis IEC 62897-2020 MVDC kabeļiem, Ķīnas CEC ir izdevusi Q/GDW 12133-2021 pārveidotāju specifikācijām, un ES Horizon 2020 finansētais MVDC tīkla demonstrēšanas projekts ir pabeidzis validācijas testēšanu 18 kV/20 MW sistēmai. Mājsaimniecības iekārtu ražošana ir panākusi progresu: Ķīnas ražotāji tagad masveidā ražo 2,5 kV/500 A IGBT moduļus ar dinamisko sprieguma balancēšanas kļūdu robežās ±1,5%.

Nākotnes tendences ietver: ierīču mazināšanos—SiC pamatīgās kompaktnās pārveidotāju ierīces var samazināt tilpumu par 40%; sistēmas intelektualizāciju—digitālo dvinieku tehnoloģija uzlabo ierīču dzīves ilgumu prognozēšanas precizitāti līdz pāri 95%; un lietojumu paplašināšanos—kosmosā esošā saules enerģijas mikroviļņu bezvadu pārraides sistēmas sāk zemes receptora testēšanu, izmantojot 55 kV DC arhitektūru. Kā enerģijas elektronikas izmaksas turpina samazināties, MVDC 2030. gadā gaida kļūt ekonomiski izdevīgākam nekā tradicionālie MA risinājumi sadalīšanas tīklu modernizācijā.

Tehnoloģijas ieviešanai ir nepieciešama pārrobežu sadarbība. Enerģijas projektēšanas institūti izstrādā 3D digitālas dizaina platformas pārveidotāju staciju izkārtojuma optimizācijai un EMI simulācijai. Universitāšu pētniecības komandas veicina jaunas topoloģijas, ar divu aktīvu tiltu pārveidotājiem, kas sasniedz 98,7% efektivitāti. Enerģētikas pilotprojekti rāda, ka 20 kV DC mikrotīkli rūpnīcu teritorijās var palielināt atjaunojamās enerģijas pieņemšanu virs 85%. Šie iniciatīvas sniedz vērtīgus datus tehnoloģiskai iterācijai.

Jaunās enerģijas sistēmās MVDC spēlē galveno lomu, savienojot UHVDC centrālās tīklu sistēmas un zemā sprieguma sadalītās avotus, lai veidotu elastīgus, daudzsprieguma DC tīklus. Piemēru analīze rāda, ka 10 kV DC busbaru ietverotās intelektuālās apgabalu stacijas var palielināt fotovoltaikas absorbciju par 25% un uzturēt kritiskos slodzes vairāk nekā 4 stundas galvenā tīkla traucējuma laikā. Kā digitālā tīkla attīstība turpinās, MVDC sistēmas arvien vairāk integrējas ar malas aprēķināšanu un blokķēšanu, lai veidotu pašregulējošos enerģijas interneta mezglus.

Praktiskā inženierzinātne prasa uzmanību pie detaljiem: kabeļu instalācijā jākontrolē līkuma rādiuss—minimums 25 reizes kabeļa diametrs 35 kV DC kabeļiem. Elektromagnētiskā saderība jāievēro CISPR 22 Klase B standartus, ar pārveidotāju istabas aizsargāšanas efektivitāti, kas pārsniedz 60 dB. Darbības un apsardze jāiekļauj infrasarkano termogrāfiju katru 3 mēnešu laikā un tiešsaistes daļēja izlaides monitorings ar sliekšņiem zem 20 pC, nodrošinot drošu un stabila darbību.

No enerģijas pārejas perspektīvas MVDC ir galvenais palīdzētājs nulles oglekļa tīklā. Tas ļauj tiešu DC tīkla savienojumu vēja un saules enerģijai, izbeidzot 6–8% enerģijas zudumus no MA inversijas. Vēderdzīgas hidrogēna ražošanā 50 MW elektrolīzes, izmantojot 10 kV DC enerģiju, sasniedz 12 procentpunktus augstāku efektivitāti nekā AC enerģijas sistēmas. Pārindustrijas lietojumi paplašinās: magnētlevitācijas vilcieni, izmantojot 3 kV DC enerģiju, samazina trakcijas enerģijas patēriņu par 18%. Šīs inovācijas reformē enerģijas izmantošanu.

Industrijai ir grūtības ar speciālistu trūkumu. Ir būtiska gabala trūkums speciālistiem, kuri spēj strādāt gan enerģijas elektronikā, gan tīklu operācijās. Ķīnas universitātes ir ieviesušas specializētas MVDC kursus, un Nacionālā Amatdarības Kvalifikācijas Katalogs tagad ietver DC sadalīšanas inženiera sertifikāciju. Uzņēmumu mācību centri izmanto pilnskalas simulācijas platformas, lai apmācītu personālu ārkārtas reaģēšanai dažādos kļūdu scenārijos. Šis talantu attīstības modelis saīsina tehnoloģiju pārneses ciklus un paātrina inovāciju ieviešanu.