Fastavirkjaður spennubreytari: Þjálfa greining
Sólkerfið Transformer teknología: Þróað yfirlit
Þetta skýrsla byggir á kennslum sem birtar voru af Rafbreytilegum kerfisstofn í ETH Zürich, sem veitir þróað yfirlit yfir Sólkerfið Transformer (SST) teknologiuna. Skýrslan lýsir starfsreglum SST og nákvæmlega förmunum þeirra yfir hefðbundna Línufrekans Transformer (LFT), greinar systemlega um helstu teknologíurnar, topologíur, viðskiptaaðgerðir og rannsóknarleiðbeiningar. SST eru séð sem aðalskilyrði fyrir næstu smart grid, sameiningu endurbænu orku, gagnagöngur og flutnings rafbreytlu.
1. Inngangur: Grunnhugmyndir og kertækni SST
1.1 Takmarkanir hefðbundinna transformer
Hefðbundið línufrekans transformer (50/60 Hz), sem er hætt notkunarefni, stöðugt og kostnaðarlegt, hafa inntimskorðar:
Stór stærð og þyngd: Lágfrekans virkni fer með mikil magnetrútar og vindingar
Einfaldur virkningsvirki: Engin virkan stjórnunarmöguleikar, ekki hægt að reglulaga spenna, samþæta reaktiv töflu eða dæma harmonics
Dæmleg breytileiki: Miskynning við DC bias, hlutfallslega ójafnvægi og harmonics
Fast tengingar: Þegar almenn AC-AC umbreyting, gerir beint samþætting við DC kerfi erfitt
1.2 Kertækni SST
SST breyta grunnlega orkubreytingu með háfrekans rafbreytilegri teknologi:
Háfrekans skilgreining: Notar Miðfrekans Transformer (MFT, venjulega á kHz stigi), sem minnkar stærð og þyngd (rúmmál ∝ 1/f)
Full stjórnun: Leyfir óháð virkan/reactive töflu stjórnun, mjúka spenna reglulagi, villu straum takmarkanir og aðrar framfarandi aðgerðir
Almenn tenging: Fleksibelt framkvæmir AC/AC, AC/DC, DC/DC umbreyting, sem gerir það fullkomlegt miðpunkt fyrir næstu AC/DC blandaða grid
Há orkutíðni: Sérstaklega hentugt fyrir stærð og þyngd takmarkaðar aðgerðir (rail transit, skip, gagnagöngur)
2. Djúpt greiningarverkefni um SST kertækni
2.1 Grunnvirkni orkubreytingartopologíur
Tvö virkan Brot (DAB): Einn af mestum alþjóðlegum topologíum. Reglulaga orku með stjórnun phase shift milli brotanna, leyfir soft-switching (ZVS) til að minnka tap. Hentar vel fyrir aðgerðir sem biðja um víða orku stjórnunarsvið.
DC Transformer (DCX): Virkar á resonant frekans til að ná fast spenna umbreytingarhlutföllum, sendir orku án virkrar stjórnunar eins og "hefðbundið transformer." Einfald myndun með hæstu stöðugu, sérstaklega hentugt fyrir marg-fylki series-input kerfi (t.d., ISOP), leyfir náttúrulegt spenna jöfnun.
Modular Multilevel Converter (MMC): Hentar fyrir hærri spenna stig, hætt modulísk með góðri redundant og hæstu gæði úttaksform, en stjórnun og capacitor spenna jöfnun reiknirit eru flókin.
Flokkun: Gæti verið flokkuð sem Input-Series Output-Parallel (ISOP), Isolated Front-End (IFE), Isolated Back-End (IBE), o.s.frv., til að passa við mismunandi aðgerðir kröfur.
2.2 Orka semilegur teningur
SiC MOSFET: Aðal hjálpari fyrir SST þróun. Höfuðspenna styrkleiki, flott switching hraði, og lágt on-resistance gerir það best fyrir miðspenna, háfrekans aðgerðir. 10kV+ SiC teningar eru að drifa beint miðspenna tengingar með einum tening eða fá-serie uppsetningar, minnka module count og leysa "modularity penalty."
IGBT: Núverandi mest notaður teningur í miðspenna aðgerðir, með fullorðnum teknologi og hætt kostnaði, en switching frekans og performace er oftast ofan SiC.
2.3 Miðfrekans Transformer (MFT)
MFT tákna kjarna og hönnunarauka SST:
Hönnunaraukar: Mikil eddy current tap og proximity áhrif við háfrekans; insulation kröfur (sérstaklega lightning impulse standa við BIL) ekki minnka frekans, verða takmarkandi þáttur fyrir stærð; ágangur er milli hita frátekning og insulation.
Efni: Silicon steel, amorphous alloys, nanocrystalline efni, ferrites, o.s.frv., valið eftir frekans og orka stig.
Myndun: Shell-type (E-core) myndun er algengari, auðveldara til að stjórna leakage inductance og parasitic parameters.
Kylning: Efni hæfileikar geta notað loft kylning, en sterk orku tígur biðja um væskukylning (vatn eða olíu).
2.4 Kerfisstigs auka
Öryggisstýring: Þarf að uppfylla strikt öryggisrösk, (t.d. IEC 62477-2), þar sem krympanlegur fjarlægð og skipting eru aðalþættir sem ákveða stærð tækja.
Verndun: Ljósningaskot og kortslökur í miðspenna rás geta haft alvarleg áhrif á SST. Verndarskipanir verða að veka til greina valkost, hraða og treystu, með því að kröfur um verndun hafa mikil áhrif á inductance innleiðsla SST og úrvali sementa.
Treuð: Fjölmódel skipanir geta bætt við treuð kerfisins með oferfjöld (t.d. N+1 skipan). En ekki-oferfjöld hlutar eins og stýrakerfi og hjálpar spenna geta orðið flaskekar fyrir treuð kerfisins.
3. Viðskiptaskilydd fyrirframleit
3.1 Næstu kynslóð af ferðamálastjórnum
Fyrsta og fullorðnu notkunarsvið. Skiptir út line-frequency tracciónarumfræðara á lokómótum, gerir AC-DC umbreytingu. Mikil förmenn eru >50% lækkun á þyngd, 2-4% bætta virkninu og sparnað í pláss.
3.2 Endurvinnanleg orka og ný gagnakerfi
Vind/sólarorka: Gerir miðspenna DC safn fyrir vindkvaða/PV safn, lágmarkar losnað og kostnaður af snúrum en auðveldar HVDC sendingar samþættingu.
DC minnigökjur: Virkar sem AC/DC og DC/DC tenging, leyfir fleksibla samþættingu endurvinnanlegrar orku, geymslu og takmarkar með orkustjórnunarkrafti.
Smárt gagnakerfi: Virkar sem "orku router", veitir spenna stuðning, orkugæða reglugeri og tvíhættar orkuflæði stýringu.
3.3 Gagnagrunns spenna
Skiptir út hefðbundnu "LFT + server spenna" skipan, breytir MVAC beint í LVDC (t.d. 48V) eða jafnvel lægra spennu, lágmarkar umbreytingar stigi og bætir allsins virkninu. Úrskurður: Núverandi SST virknin og orkutíðni förmenn yfir hávirkni LFT+SiC rektifiera lausnir eru ekki enn klár, með hærra flóknari og kostnaði.
3.4 Rafhreyfingar hraða hleðslu (XFC)
Beint tenging við miðspenna net (10kV eða 35kV) veitir MW-stigi hleðslu, gerir "olíubílstöðu-líkan" upplifun. Orkuaðilar samþætta staðbundið geymslu og PV fyrir toppskerðingu og gagnakerfisþjónustu (V2G).
3.5 Aðrir sérstök notkunarsvið
Sjávar farartæki eldstjórning: Notað í miðspenna DC dreifikerfi til að besta kjarnalagastjórning og samþætta orkugeymslu.
Flugvélar orkukerfi: Veitir ljótt, hægar orkutíðni dreifikostnaði fyrir meira rafmagn/allt rafmagn flugvélar.
Höfn "Cold Ironing": Veitir miðspenna landaspenna dokkaðum farartækjum, leyfir að slökkva á hjálpar motorum, lágmarkar brottnám og hljóð.
4. Ábyrgðir og framtíðar rannsóknarstefnur
4.1 Núverandi helstu ábyrgðir
Of mikið kostnaður: Núverandi SST uppbyggingarkostnaður (CAPEX) fer langt yfir hefðbundnar LFT lausnir.
Modularity straff: Aukning á eininga fjölda leiðir til ólínulegt vaxtar í kerfis stærð, þyngd og flóknari, sem eyðir hærra orkutíðni förmenn MFT.
Virknismarkmið: Marg-stigi umbreyting (AC-DC + DC-DC + DC-AC) gerir erfitt að ofurstiga virkninu af hávirkni LFT (>99%) + hávirkni umbreytara (>99%) samsetningar.
Standardization og treuð: Mangel á sameinduðu staðalmála og löng launareiningargögn; treuð stöðugun og líftíma forspá er kritísk fyrir menntun.
4.2 Framtíðar rannsóknarstefnur
Tæki og efni: Útbúa hærri spenna (>15kV) SiC tæki; skapa nýtt lág tap, hæra hitaflæði, hæra dýrðar efni.
Topologi og samþætting: Besta topologi til að lágmarka skiptingar fjölda; rannsaka meiri smákerfi eins og MMC; útbúa kerfis stigs samþættingar teknika til að lágmarka hjálpar kerfi og verndun rúmmi.
Sýningarkerfi: Byggja fullstæð (full spenna, full orka, full staðal) sýningarkerfi fyrir markmiðaða meting.
Kerfis rannsóknir: Útfæra almennt Total Cost of Ownership (TCO) og Life Cycle Assessment (LCA) rannsóknir til að skýra raunverulega SST gildi.
Hæfni: Skoða lagfæri, endurtekt og hringlínuefni frá hönnunar tímabili til að taka tillit til elektróns afvalsmál.
5. Samantekt og útsýni
Sólkerfið Solid-State Transformer (SST) er of mikill til að vera einfaldur staðgengill fyrir hefðbundna spennaþrópun – það er margþætt, stýrilegt snjallsveiflanóð. Þrátt fyrir núverandi kostnað og námi sem bana fullkominni keppni við hefðbunda lausnir, eru hans revírunarlegu kosti í virkniarmargföldun, stýringu og náttúrulega stuðningi við DC-sveiflar óneitanlegir. Framtíðarþróunin byggist á flertaksmenntu samstarfi (raforkutækni, efni, hágildis dýfing, hitastjórnun, stýring) og skýrum aðgerðarrammeðferðum. Á sérstökum sviðum eins og draflaefnis kerfi, sjómælastaðir og DC-safnun hafa SST-er þegar sýnt óskiptanlegt gildi. Með óhættu framfarum í SiC-tekník, topologískum nýsköpunum og kerfisbestun, væri SST-er með tilliti til að breytast stundum í víðara markaðsnotkun yfir næstu áratug, verðandi grunnvöru tekník til að byggja kraftgert, fleksibelt og drengiligt framtíðar orkurafkerfi.
