Convertidores compactos de media tensión para habilitar arquitecturas y operaciones de red avanzadas

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A medida que avanzamos hacia más energías renovables y recursos energéticos distribuidos (DER), el diseño del sistema de distribución eléctrica en sí impone limitaciones físicas. Estas limitaciones del sistema podrían generar problemas como cables eléctricos sobrecargados y fallas que se propagan libremente.

Pero, ¿y si pudiéramos reestructurar el sistema subyacente para respaldar una mayor integración renovable y resiliencia del sistema? Con ese fin, un proyecto liderado por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) está trabajando en un nuevo tipo de dispositivo de red habilitado por interruptores de carburo de silicio (SiC) y otros componentes electrónicos de potencia de media tensión (MV) que podrían segmentar secciones de la red, proporcionando control avanzado de flexibilidad y resistencia para nuestros sistemas de energía.

El equipo del proyecto está diseñando primero un prototipo de convertidor a escala de megavatios que proporciona una conversión nativa “back-to-back” (energía de CA a CA) en voltajes de distribución (es decir, no requiere que los transformadores reduzcan el voltaje a los niveles que se usan normalmente en la conversión de energía electrónica ). Al utilizar módulos de potencia basados ​​en MV SiC, los convertidores podrían tener 1/5 del tamaño y 1/10 del peso de los sistemas equivalentes alternativos, que son del tamaño de un remolque e incluyen transformadores pesados. Luego, el equipo conectará el convertidor de potencia al banco de pruebas de MT de NREL para validar los nuevos enfoques de control de red que permite el prototipo.

El proyecto se llama “Desarrollo de aplicaciones de red, banco de pruebas y análisis para MV SiC (GADTAMS)”Y está financiado por la Oficina de Fabricación Avanzada del Departamento de Energía.

El proyecto GADTAMS liderado por NREL está desarrollando y demostrando alternativas más pequeñas y ligeras para conexiones directas de media tensión en la red, lo que podría permitir nuevas arquitecturas de red resilientes.

“Con convertidores consecutivos entre alimentadores, podemos dar un paso más para brindar resiliencia en todo el sistema de distribución”, dijo Akanksha Singh, líder de proyecto en NREL.

“Esta tecnología no era necesaria antes porque no teníamos tantos recursos energéticos distribuidos en el sistema, pero ahora tenemos alimentadores que se están saturando con PV; aparte del almacenamiento, estos alimentadores no tienen ningún lugar donde inyectar ese exceso de energía ”, dijo Singh. “Un nuevo enfoque para la interconexión de la red podría permitir formas avanzadas de distribución de energía y proporcionar una resistencia de la red mucho mejor”.

Una futura red que cuente con tales convertidores tendría la capacidad de controlar el flujo de energía entre secciones de la red, desviando el exceso de carga o generación basada en DER a secciones de alimentación o circuitos adyacentes según sea necesario, agregando nueva versatilidad a la distribución de energía. Microrredes en red podría proteger contra la propagación de fallas de una microrred a la siguiente y al mismo tiempo permitir el despacho de energía controlado entre los dos sistemas y la macrorred.

Durante la recuperación de la interrupción, podrían formarse microrredes que luego estabilicen los sistemas de microrredes vecinos, como se prevé en NREL. investigación de sistemas autónomos de energía. En general, los dos lados del convertidor no necesitan estar sincronizados en frecuencia o incluso en el nivel de voltaje exacto en absoluto, un cambio importante con respecto al sistema de energía moderno. Pero antes de probar cualquiera de estas aplicaciones, NREL y otros primero deberán construir los controles necesarios.

“Estamos desarrollando controles muy novedosos para las próximas arquitecturas de red”, dijo Singh. “Tenemos controles locales en los inversores y tenemos controles jerárquicos que se coordinan entre las particiones de la red. Con respecto al soporte de la red, estos controles pueden hacerlo todo: estabilidad dinámica, soporte de frecuencia, arranque en negro, protección contra fallas y protección “.

A diferencia de todo lo que está disponible actualmente, el banco de pruebas NREL proporciona un entorno para validar soluciones de red de voltaje medio con hardware de energía real en el circuito y simulación de red en tiempo real. Para este proyecto, NREL y sus socios están interesados ​​en la gama completa de casos de uso para convertidores de SiC consecutivos y se han asociado con la empresa de servicios públicos Southern California Edison para informar sobre las aplicaciones de servicios públicos, así como con los socios de la industria General Atomics y Eaton para buscar un camino comercial para la tecnología.

Los socios del proyecto Ohio State University y Florida State University están construyendo el convertidor de SiC en dos mitades. El prototipo del convertidor trifásico tendrá una potencia de 330 kW e implementará un diseño térmico y eléctrico completo apropiado para el uso de servicios públicos. Tradicionalmente, el mismo proceso de conversión de CA a CA requiere reducir el voltaje a niveles de bajo voltaje donde se puede usar electrónica de potencia convencional, lo que resulta en equipos de transformadores pesados ​​y costosos. La opción MV SiC aprovecha las clasificaciones de voltaje superiores de los dispositivos para minimizar el peso, el costo y el tamaño, lo que hace que la tecnología sea mucho más práctica y económica para la implementación en todo el sistema.

Aún así, la tecnología de convertidores es solo un aspecto del cumplimiento de interconexiones flexibles. Este marco carece actualmente de la estandarización que existe para tantas otras innovaciones recientes de la red. En NREL, el equipo del proyecto espera recopilar datos operativos de referencia para iniciar la conversación sobre cómo integrar convertidores de MT en redes futuras.

“Esta es una nueva aplicación que aún no existe en ninguna parte. Necesitamos estándares que se apliquen a cómo los convertidores pueden integrarse con la operación regular del sistema, como el inicio, la sincronización con la red, etc. ”, dijo Singh. “Estamos usando Estándares IEEE 1547 y 2030.8 como base, interpretando sus reglas para implementar nuevos controles en los sistemas de MT. Estamos tratando de fusionar los dos para comprender qué se aplicará a este nuevo enfoque “.

Una arquitectura de red completamente nueva y una flexibilidad operativa podrían parecer lejanas por ahora, pero NREL y los socios están demostrando que estas opciones son viables a corto plazo y que NREL tiene la capacidad de preparar estas soluciones para sistemas reales. Obtenga más información sobre cómo NREL puede validar sistemas de energía avanzados a escala.

Artículo cortesía de NREL.

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