Маршрутизация мощности в модульных интеллектуальных трансформаторах: активный контроль температуры посредством неравномерной загрузки

МАРШРУТИЗАЦИЯ МОЩНОСТИ В МОДУЛЬНЫХ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРАХ: АКТИВНЫЙ КОНТРОЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОСРЕДСТВОМ НЕРАВНОМЕРНОЙ ЗАГРУЗКИ ЯЧЕЕК

I. ВВЕДЕНИЕ

Увеличение децентрализованного производства энергии бросает вызов фактической распределительной сети [1], [2]. Во многих странах производство и потребление разделены в пространстве, и энергия должна передаваться на большие расстояния [3]. Это требует новых концепций для передачи энергии нагрузкам без перегрузки фидеров сети и для подключения новых интеллектуальных нагрузок и хранилищ [4], которые обычно делают фактическую гибридную электрическую сеть (переменного и постоянного тока) и соединенной с другими энергетическими сетями (мультимодальный) [5]. В текущей конфигурации трансформаторы являются пассивными устройствами, которые не позволяют подключать системы постоянного тока или соединять электрическую сеть с другими энергетическими сетями. Решением, которое обеспечивает гибридную и мультимодальную связь и возможный контроль потока мощности, является твердотельный трансформатор (SST), который основан на силовых электронных преобразователях и среднечастотном трансформаторе для гальванической развязки [6]. К сожалению, SST не добился прорыва на рынке даже в тяговых и морских судах, где он предлагает меньшие требования к пространству и более высокую эффективность по сравнению с низкочастотным трансформатором [7].

Напротив, применение SST в системе распределения будет оправданным, а его более высокая стоимость будет оплачена за счет функциональности, чтобы он больше подходил для определения Smart Transformer (ST) для выделения этих доминирующих «software» аспектов, в то время как основное «hardware» требуется разрешить точки подключения гибридных распределительных сетей между dc и dc распределением. Как следствие, ST - это SST с доступным соединением по каналу постоянного тока соединением по каналу постоянного тока (так минимум два этапа) и значительная гибкость в управлении точками подключения переменного и постоянного тока, что требует усовершенствованных алгоритмов идентификации и управления [8].

Тем не менее, этот ST должен конкурировать с традиционным трансформатором не только в области функциональности, но и в области эффективности и надежности. В области надежности, традиционного трансформатора трудно превзойти, потому что его срок службы составляет несколько десятилетий при минимальных затратах на техническое обслуживание, и эта цель вряд ли достижима при использовании современной технологии полупроводниковых приборов. Также ожидается, что эффективность традиционного трансформатора будет выше, чем у SST, особенно в трехступенчатой архитектуре [9]. Задача достижения высокой эффективности при сохранении возможности подключения постоянного тока решается с помощью модульной конструкции ST с использованием силовых полупроводников, рассчитанных на более низкое напряжение и ток [8].

        В современной конструкции модульных преобразователей мощности силовые электронные элементы, образующие преобразователь, обычно имеют одинаковую нагрузку. Активация/деактивация может применяться для увеличения эффективность системы [10], но может привести к более высокому стрессу из-за процессов активации и деактивации [8]. Программная возможность снизить нагрузку на преобразователи энергии был предложен промышленностью: активный терморегулятор. Он был применен для регулирования термоциклирования при высоком крутящем моменте и низкой скорости приводов для предотвращения выхода из строя системы [11].

Модульные архитектуры могут обрабатывать сбои ячейки, особенно при наличии избыточности [12]. Однако последовательное устройство для электрической сети, такое как ST, которое может обрабатывать полную мощность, поступающую к потребителям, должно быть разработано так, чтобы иметь максимально возможную доступность. HVDC, например, требует доступности 99% [13]. Как следствие, предотвращение сбоев является одной из основных целей таких систем.

Предыдущие исследования, основанные на полевых данных о сбоях в ветровых и фотоэлектрических системах, показали, что силовые модули и конденсаторы являются компонентами, наиболее подверженными сбоям [14]. Различный компоненты подвергаются воздействию различных механизмов отказа, которые в некоторых случаях зависят от мощности процессора, а в других - нет [15]. Разумно, что как только одна ячейка модульной архитектуры выходит из строя, независимо от того, какой компонент вышел из строя, она отправляется на техническое обслуживание и заменяется. Эта же ячейка отремонтирована и снова становится доступной на складе сменных узлов (рис. 1). Это означает, что модульный преобразователь по своей природе является системой, созданной ячейками разного возраста.