Твердотельные подстанции
Окончание. Начало смотрите, щёлкнув здесь.
Одним сокращением массогабаритных характеристик оборудования затраты на разработку и внедрение твердотельных подстанций, конечно, не оправдываются. По большому счёту перед разработчиками стоит задача перенести часть функций управления из центра (с уровней системного оператора или сетевой компании) на места, чтобы узлы энергосистемы могли с помощью интеллектуальных силовых преобразователей IPS (Intelligent Power Stage) оперативно перестраивать свои режимы для оптимизации энергетических перетоков, поддержания надёжности и релейной защиты.
В реальном времени
Если время реакции диспетчера на события в сети исчисляется минутами, то схемы управления и защиты в сетевых узлах будут выполнять свои алгоритмы за секунды, а универсальные силовые регуляторы SUPER (Smart Universal Power Electronics Regulator) - за микро- и миллисекунды (рис. 1).
Для выполнения своих задач SUPER-регуляторы тесно связаны с остальным оборудованием (рис. 2). Силовые узлы управляются сигналами с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
Подобная архитектура снижает затраты на балансировку сетей и упрощает интеграцию в них возобновляемых источников энергии, позволяя организовывать управляемые двунаправленные перетоки энергии. В случаях отказа оборудования подстанция продолжает работать, просто снижается её установленная мощность.
Силовые узлы с интеллектуальным управлением способны поддерживать нужные значения тока в линиях для передачи энергии на большие расстояния или нужные уровни напряжения на фидерах распределительных сетей независимо от величины нагрузки на них.
Встроенная система мониторинга преобразователей IPS позволяет заранее планировать работы по техническому обслуживанию и предохранить сеть от таких случаев, когда поломка одного инвертора могла бы вызвать каскадные отключения потребителей. Собираемые системой мониторинга данные можно накапливать для анализа режимов работы сетей с применением искусственного интеллекта.
Вузовская кооперация
Идеологией построения будущих твердотельных подстанций и алгоритмами управления ими занимается Окриджская национальная лаборатория, а заказы на отработку отдельных элементов размещены в различных американских университетах. Расскажем об одном из них.
Техасский университет в Остине получил гранты на разработку твердотельных силовых преобразователей. В стенах этого вуза были исследованы модульные гибридные решения, в которых различным образом сочетаются традиционные низкочастотные силовые трансформаторы и полупроводниковые инверторы (см. «Энерговектор», № 1/2022, с. 8), что позволяет обойтись силовыми электронными приборами относительно невысокой мощности. Однако гибридные решения - это временная полумера, от которой индустрия уже отказывается. В университете разработан твердотельный силовой преобразователь переменного тока среднего напряжения с двумя активными мостами для понижающих подстанций. Его эффективность варьируется от 97,9 до 98,1% при изменении нагрузки от 38 до 63 кВт. Данные получены при входном напряжении 3500 В и выходном 500 В. Блок имеет размеры 75×120×20 см.
Элементная база
В описанном преобразователе используются созданные в университете карбид-кремниевые ключи на напряжение 7,2 кВ, способные коммутировать ток 60 А и имеющие сопротивление канала в открытом состоянии 0,18 Ом. Идёт разработка силовых полупроводниковых приборов с ещё более высокими характеристиками. Следующий элемент преобразователя, также разработанный в Остине, - высокочастотный (20 кГц) импульсный трансформатор мощностью 100 кВ·А с отличной развязкой между первичной и вторичной обмотками (диэлектрик выдерживает напряжение 14 кВ). Число витков в обмотках соотносится как 7:1. Устройство имеет напечатанную на 3D-принтере бобину оригинальной конструкции, снабжённую воздушными каналами для охлаждения (рис. 3).
Прототип однофазного твердотельного силового преобразователя мощностью 500 кВ·А, также созданный в Остине, имеет габариты 150×155×235 см. Он понижает 20 кВ до 4 кВ и позволяет компенсировать провалы входного напряжения на величину до 6%. В последующих прототипах этот показатель наверняка будет увеличен.
Немного о системе диагностики. Состояние высокочастотного трансформатора контролируется в реальном времени путём постоянного вычисления импеданса обмоток. Создан программный инструментарий для проактивной защиты силовых ключей.
* * *
Исследователи из Окриджской национальной лаборатории предлагают внутри блоков IPS использовать как можно больше оптических связей, не подверженных электромагнитным наводкам, особенно по мере внедрения всё более высокочастотных преобразователей на основе полупроводников с широкой запрещённой зоной.
В поддержку проектов по схемотехнике интеллектуальных силовых преобразователей в американских университетах запущен ряд научно-иследовательских работ, направленных на создание новых материалов и электротехнических изделий из них. Это, например, керамические конденсаторы, способные выдерживать высокие рабочие температуры, надёжные изоляторы, новые магнитомягкие сердечники для трансформаторов, алюминиево-кальциевые композитные проводники с низким удельным сопротивлением.
Рассказ о разработке твердотельных подстанций «Энерговектор» будет продолжать по мере появления свежей информации.
Читайте другие наши материалы
