Nguồn: ise.fraunhofer.de
Khi quá trình chuyển đổi năng lượng diễn ra, việc mở rộng lưới điện ngày càng trở nên quan trọng. Ngày càng có nhiều nhà máy phát điện tái tạo cũng như hệ thống lưu trữ điện được kết nối với lưới điện. Điều này cho phép thiết bị điện tử công suất đóng một vai trò quyết định, bởi vì việc kết nối các hệ thống này với lưới điện là điều cần thiết. Tuy nhiên, ngoài việc cấp vào hoặc cấp lại năng lượng điện đơn thuần, thiết bị điện tử công suất còn phải thực hiện các nhiệm vụ hỗ trợ lưới điện khác. Trong" SiC-MSBat" dự án, các nhà nghiên cứu tại Viện Fraunhofer về Hệ thống Năng lượng Mặt trời ISE, cùng với các đối tác, hiện đã phát triển và vận hành thành công một bộ biến tần nhỏ gọn để cấp trực tiếp vào lưới điện trung thế.
Hiện nay, biến tần chủ yếu cấp vào lưới điện hạ áp. Sau đó chúng được ghép vào lưới điện trung thế thông qua các máy biến áp lớn 50 Hz. Việc sử dụng các loại bóng bán dẫn silic cacbua (SiC) mới với điện áp chặn rất cao hiện nay cũng giúp cho việc kết nối trực tiếp các bộ biến tần với lưới điện trung áp. Nhờ động lực điều khiển cao của biến tần SiC, chúng có thể đảm nhận các nhiệm vụ ổn định lưới điện và ví dụ, hoạt động như bộ lọc công suất tích cực để bù cho sóng hài trong lưới điện trung áp. Hơn nữa, biến tần SiC có thể đạt được mật độ công suất cao hơn nhiều so với biến tần thông thường. Điều này dẫn đến thiết kế nhỏ gọn, đây là một lợi thế đặc biệt khi các nhà máy được xây dựng trong khu vực nội thành hoặc các nhà máy cũ hiện có sẽ được trang bị thêm. Ngoài chi phí hệ thống đơn thuần, chi phí xây dựng và cơ sở hạ tầng cũng đóng một vai trò rất quan trọng, đặc biệt là ở các khu vực đô thị. Là một phần của dự án" SiC-MSBat - bộ biến tần trung áp với mô-đun nguồn SiC điện áp cao để lưu trữ quy mô lớn và lưới phân phối phục vụ hệ thống" ;, một ngăn xếp biến tần 250 kW đã được phát triển để cấp vào lưới điện xoay chiều 3 kV. Ở đây, các bóng bán dẫn SiC 3,3 kV mới được sử dụng. Chúng có tổn thất điện năng thấp hơn đáng kể so với các bóng bán dẫn silicon tương đương. Điều này làm cho nó có thể vận hành ngăn xếp biến tần với tần số chuyển đổi 16 kHz. Với các bóng bán dẫn silicon hiện đại, chỉ có thể có tần số chuyển mạch thấp hơn khoảng 10 lần trong lớp điện áp này. Tần số chuyển mạch cao giúp tiết kiệm các thành phần thụ động, vì chúng có thể được đo kích thước ở định dạng nhỏ hơn. Một tính năng đặc biệt khác của biến tần là làm mát bằng chất lỏng tích cực với một este tổng hợp làm môi chất làm mát. Môi chất này được bơm qua biến tần và làm mát cả hai bóng bán dẫn thông qua tản nhiệt chất lỏng và cuộn cảm lọc, được đặt trong một thùng kín. Đồng thời, môi chất làm mát cho cuộn cảm lọc đóng vai trò như một phương tiện cách điện, cho phép cuộn cảm lọc được chế tạo nhỏ gọn hơn nữa. Biến tần được chế tạo và thử nghiệm tại các phòng thí nghiệm của Fraunhofer ISE', đạt được tỷ lệ hiệu suất rất cao là 98,4% ở công suất định mức. Thiết kế của thiết bị cho phép kết nối mô-đun của nhiều ngăn xếp biến tần để đạt được đầu ra hệ thống vài megawatt. Có tính đến không gian lắp đặt bổ sung cho thiết bị đóng cắt và bộ làm mát, có thể đạt được mức tiết kiệm thể tích của hệ thống biến tần lên đến 40% so với các hệ thống biến tần thương mại thuộc cấp điện áp này. Dự án được tài trợ bởi Bộ Kinh tế và Năng lượng Liên bang Đức (BMWi) như một phần của Chương trình Nghiên cứu Năng lượng lần thứ 6 thuộc tiểu khu vực" Tích hợp Năng lượng Tái tạo và Hệ thống Cung cấp Năng lượng Tái tạo" ;. Các đối tác của dự án là Semikron Elektronik GmbH& Công ty KG và STS Spezial-Transformatoren Stockach GmbH. Semikron chịu trách nhiệm phát triển các mô-đun 3,3 kV SiC trong dự án, STS chịu trách nhiệm chính về các thành phần cảm ứng. Fraunhofer ISE nhận thấy nhiều ứng dụng tiềm năng cho việc sử dụng các thiết bị SiC chặn cao trong dải điện áp trung bình." Đặc biệt đối với các nhà máy điện quang điện lớn, xu hướng sử dụng điện áp ngày càng cao," Andreas Hensel, Trưởng nhóm Điện tử Điện tử Điện áp Trung thế của Fraunhofer ISE cho biết." Với công nghệ PV 1500 V đã có trong một vài năm, chỉ thị điện áp thấp đã được khai thác triệt để. Bước tiếp theo ở đây sẽ là quá trình chuyển đổi sang cấp điện áp trung áp, điều này sẽ mang lại tiềm năng tiết kiệm và cải tiến hơn nữa trong khái niệm hệ thống của các nhà máy điện PV." Ngoài các nhà máy điện tái sinh và hệ thống lưu trữ pin lớn, các lĩnh vực ứng dụng khác của điện tử công suất trung áp bao gồm hệ thống truyền động và công nghệ đường sắt. Để thử nghiệm các hệ thống như vậy, Fraunhofer ISE có phòng thí nghiệm đa megawatt, được khánh thành vào giữa năm 2019. Điều này cho phép vận hành các hệ thống trung áp có công suất lên đến 20 MVA.Thiết kế nhỏ gọn do tần số chuyển mạch cao
Điện tử công suất tương lai ở cấp trung áp
