อะไรคือเทคโนโลยี MVDC? ประโยชน์ ความท้าทาย และแนวโน้มในอนาคต

เทคโนโลยีกระแสตรงแรงดันปานกลาง (MVDC) เป็นนวัตกรรมสำคัญในการส่งผ่านพลังงานไฟฟ้า ออกแบบมาเพื่อแก้ไขข้อจำกัดของระบบ AC แบบดั้งเดิมในแอปพลิเคชันเฉพาะ โดยการส่งผ่านพลังงานไฟฟ้าผ่าน DC ที่ระดับแรงดันระหว่าง 1.5 kV ถึง 50 kV มันรวมความได้เปรียบของการส่งผ่านระยะไกลของระบบ DC แรงดันสูงกับความยืดหยุ่นของการกระจาย DC แรงดันต่ำ ในบริบทของการรวมพลังงานทดแทนขนาดใหญ่และการพัฒนาระบบไฟฟ้าใหม่ MVDC กำลังกลายเป็นโซลูชันหลักสำหรับการปรับปรุงโครงข่ายไฟฟ้า

ระบบหลักประกอบด้วยส่วนประกอบสี่ส่วน: สถานีแปลง, สายเคเบิล DC, วงจรป้องกันและควบคุม สถานีแปลงใช้เทคโนโลยีโมดูลาร์มัลติเลเวลคอนเวอร์เตอร์ (MMC) ซึ่งสามารถแปลงพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านโมดูลย่อยที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม—แต่ละโมดูลมีคาปาซิเตอร์และสารกึ่งตัวนำที่ทำงานอย่างอิสระเพื่อควบคุมรูปคลื่นแรงดัน สายเคเบิล DC ใช้วัสดุฉนวนโพลีเอธิลีนแบบครอส-ลิงค์พร้อมโลหะป้องกัน ลดการสูญเสียในสายลงอย่างมาก วงจรป้องกัน DC แบบไฮบริดสามารถแยกจุดขัดข้องภายในไม่กี่มิลลิวินาที รับประกันความมั่นคงของระบบ ระบบควบคุมและป้องกันบนพื้นฐานของแพลตฟอร์มจำลองดิจิทัลแบบเรียลไทม์ ทำให้มีความสามารถในการระบุจุดขัดข้องและฟื้นฟูตนเองภายในเวลาไม่กี่มิลลิวินาที

ในการประยุกต์ใช้งานจริง MVDC แสดงให้เห็นถึงประโยชน์หลากหลาย ในการชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า ชาร์เจอร์ DC 1.5 kV ลดเวลาชาร์จลง 40% และลดพื้นที่อุปกรณ์ลง 30% เมื่อเทียบกับชาร์เจอร์ AC แบบดั้งเดิม ศูนย์ข้อมูลที่ใช้สถาปัตยกรรมพลังงาน DC 10 kV สามารถบรรลุประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงกว่า 15% และลดการสูญเสียการกระจายลงประมาณ 8% การรวมพลังงานลมทางทะเลโดยใช้ระบบรวบรวม ±30 kV DC ลดการลงทุนในสายเคเบิลใต้น้ำลง 20% เมื่อเทียบกับ AC และลดความต้องการในการชดเชยพลังงานปฏิกิริยาลงอย่างมาก การปรับปรุงระบบรถไฟรางในเมืองแสดงให้เห็นว่าระบบลากจูง MVDC สามารถลดจำนวนสถานีแปลงลง 50% พร้อมกับการฟื้นฟูพลังงานจากการเบรกแบบรีเจเนเรทีฟได้ถึง 92%

เทคโนโลยีนี้มีข้อได้เปรียบสามประการ: การสูญเสียการส่งผ่านต่ำกว่าระบบ AC ที่ระดับแรงดันเดียวกัน 10–15% เหมาะสำหรับการรวมแหล่งกำเนิดพลังงานกระจายหลายจุด; ไม่จำเป็นต้องซิงโครไนซ์ความถี่ ทำให้ง่ายต่อการเชื่อมโยงระหว่างโครงข่าย; และการตอบสนองการควบคุมพลังงานในระดับไมโครวินาที ทำให้สามารถปรับตัวได้ดีกับแหล่งพลังงานที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว อย่างไรก็ตาม ยังมีความท้าทายที่เหลืออยู่ รวมถึงต้นทุนอุปกรณ์ที่สูงขึ้นและการมาตรฐานที่ยังไม่สมบูรณ์—โดยเฉพาะวงจรป้องกัน DC ขนาดใหญ่มีราคาสูงกว่าวงจรป้องกัน AC ประมาณ 3–5 เท่า และยังขาดมาตรฐานการรับรองระหว่างประเทศที่เป็นเอกภาพ

การกำหนดมาตรฐานกำลังเร่งขึ้น IEC ได้เผยแพร่ IEC 62897-2020 สำหรับสายเคเบิล MVDC ประเทศจีนได้เผยแพร่ Q/GDW 12133-2021 สำหรับข้อกำหนดของสถานีแปลง และโครงการสาธิตโครงข่าย MVDC ที่ได้รับการสนับสนุนจาก Horizon 2020 ของ EU ได้เสร็จสิ้นการทดสอบการตรวจสอบระบบ 18 kV/20 MW ภาคอุตสาหกรรมการผลิตอุปกรณ์ภายในประเทศได้ทำลายสถิติ: ผู้ผลิตชาวจีนตอนนี้ผลิตโมดูล IGBT 2.5 kV/500 A อย่างแพร่หลายด้วยความคลาดเคลื่อนการทรงตัวแรงดันภายใน ±1.5%

แนวโน้มในอนาคตประกอบด้วย: การย่อขนาดอุปกรณ์—คอนเวอร์เตอร์คอมแพ็กต์ที่ใช้ SiC สามารถลดปริมาตรลง 40%; ระบบอัจฉริยะ—เทคโนโลยีดิจิทัลทวินปรับปรุงความแม่นยำในการคาดการณ์อายุการใช้งานอุปกรณ์ให้สูงกว่า 95%; และการขยายการใช้งาน—ระบบส่งผ่านไมโครเวฟพลังงานแสงอาทิตย์จากอวกาศกำลังเริ่มทดสอบการรับสัญญาณภาคพื้นดินโดยใช้สถาปัตยกรรม DC 55 kV ขณะที่ต้นทุนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังลดลงอย่างต่อเนื่อง MVDC คาดว่าจะมีความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจเหนือกว่าโซลูชัน AC แบบดั้งเดิมในการปรับปรุงโครงข่ายการกระจายพลังงานภายในปี 2030

การนำไปใช้งานเทคโนโลยีต้องการความร่วมมือระหว่างภาคส่วน สถาบันออกแบบระบบไฟฟ้ากำลังพัฒนาแพลตฟอร์มการออกแบบดิจิทัล 3D สำหรับการปรับปรุงการวางผังสถานีแปลงและการจำลอง EMI ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยกำลังพัฒนาโทโพโลยีใหม่ คอนเวอร์เตอร์แบบ dual-active-bridge สามารถบรรลุประสิทธิภาพ 98.7% โครงการนำร่องของบริษัทสาธารณูปโภคแสดงให้เห็นว่าโครงข่ายไฟฟ้าขนาดเล็ก DC 20 kV ในพื้นที่อุตสาหกรรมสามารถเพิ่มการแทรกแซงของพลังงานทดแทนได้เกิน 85% โครงการเหล่านี้มอบข้อมูลที่มีค่าสำหรับการปรับปรุงเทคโนโลยี

ในระบบไฟฟ้าใหม่ MVDC เล่นบทบาทสำคัญในการเชื่อมโยงโครงข่ายหลัก UHVDC กับแหล่งกำเนิดพลังงานกระจายแรงดันต่ำ เพื่อสร้างโครงข่าย DC ที่ยืดหยุ่นและมีหลายระดับแรงดัน กรณีศึกษาแสดงให้เห็นว่าสถานีไฟฟ้าอัจฉริยะที่ใช้บัสบาร์ DC 10 kV สามารถเพิ่มการดูดซับพลังงานแสงอาทิตย์ได้ 25% และรักษาโหลดสำคัญได้มากกว่า 4 ชั่วโมงในระหว่างการตัดกระแสของโครงข่ายหลัก เมื่อการพัฒนาโครงข่ายดิจิทัลดำเนินไป ระบบ MVDC กำลังเข้าสู่การรวมกับการคำนวณแบบขอบเขตและบล็อกเชนเพื่อสร้างโหนดอินเทอร์เน็ตพลังงานที่สามารถควบคุมตนเองได้

การวิศวกรรมจริงต้องใส่ใจรายละเอียด: การติดตั้งสายเคเบิลต้องควบคุมรัศมีโค้งอย่างเคร่งครัด—ไม่น้อยกว่า 25 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางสายเคเบิลสำหรับสายเคเบิล DC 35 kV ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าต้องสอดคล้องกับมาตรฐาน CISPR 22 Class B พร้อมประสิทธิภาพการป้องกันของห้องคอนเวอร์เตอร์ที่สูงกว่า 60 dB การปฏิบัติการและการบำรุงรักษาควรรวมการตรวจวัดความร้อนด้วยอินฟราเรดทุก 3 เดือนและการตรวจสอบการปล่อยประจุบางส่วนออนไลน์ด้วยค่าเกินต่ำกว่า 20 pC เพื่อให้แน่ใจว่าการดำเนินงานปลอดภัยและมั่นคง

จากมุมมองของการเปลี่ยนผ่านพลังงาน MVDC เป็นตัวช่วยสำคัญสำหรับโครงข่ายไฟฟ้าไร้คาร์บอน มันอนุญาตให้เชื่อมต่อโครงข่าย DC ได้โดยตรงสำหรับลมและแสงอาทิตย์ ลดการสูญเสียพลังงานจากการแปลง AC ระหว่าง 6–8% ในกระบวนการผลิตไฮโดรเจน ระบบอิเล็กโทรไลเซอร์ 50 MW ที่ใช้พลังงาน DC 10 kV สามารถบรรลุประสิทธิภาพสูงกว่าระบบที่ใช้ AC 12 เปอร์เซ็นต์ แอปพลิเคชันข้ามอุตสาหกรรมกำลังขยายตัว: รถไฟลอยตัวที่ใช้พลังงาน DC 3 kV ลดการใช้พลังงานในการลากจูงลง 18% นวัตกรรมเหล่านี้กำลังเปลี่ยนแปลงการใช้พลังงาน

อุตสาหกรรมเผชิญกับภาวะขาดแคลนบุคลากร มีช่องว่างอย่างมากในผู้เชี่ยวชาญที่มีทักษะทั้งในด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลังและความสามารถในการดำเนินงานของโครงข่าย มหาวิทยาลัยในประเทศจีนได้นำเสนอหลักสูตรเฉพาะทาง MVDC และรายการคุณวุฒิอาชีพแห่งชาติได้รวมการรับรองวิศวกรการกระจาย DC แล้ว ศูนย์ฝึกอบรมของบริษัทใช้แพลตฟอร์มจำลองแบบครบวงจรเพื่อฝึกอบรมบุคลากรในการตอบสนองฉุกเฉินภายใต้สถานการณ์ขัดข้องต่างๆ โมเดลการพัฒนาบุคลากรนี้กำลังลดรอบเวลาการถ่ายทอดเทคโนโลยีและเร่งการใช้งานนวัตกรรม