Интеллектуальный электронный трансформатор, который чрезвычайно эффективно преобразует среднее напряжение в низкое, был разработан инженерами-электриками ETH Zurich. Умные трансформаторы этого типа также намного меньше стандартных трансформаторов. Это делает их особенно подходящими для использования там, где пространство ограничено или вес должен быть сведен к минимуму.как, например, в железнодорожных локомотивах.
Будущие приложения включают в себя станции быстрой зарядки электромобилей, источники питания для центров обработки данных или для использования в электрических сетях.
В большинстве электрических сетей для железнодорожного транспорта используется переменный ток среднего уровня напряжения. Локомотивы снижают напряжение до более низкого значения. «По техническим причинам, чем ниже частота переменного тока, тем мощнее трансформатор, необходимый для снижения напряжения. А частота 16,7 герц, используемая на железнодорожном транспорте в Швейцарии и других странах Европы, относительно низкая», — объясняет Даниэль. Ротмунд, один из двух аспирантов ETH в группе профессора Иоганна Колара, построивших новый трансформатор.
Отдельные компоненты нового трансформатора в лабораторных условиях. (Фото: ETH Zurich/Peter Rüegg)
Чтобы избежать этой проблемы размера, у интеллектуальных трансформаторов есть хитрость: во-первых, входной преобразователь значительно увеличивает частоту переменного тока, что означает, что трансформатор может быть намного меньше. Затем нижестоящий преобразователь вырабатывает переменный ток нужной частоты.
Этот преобразователь среднего напряжения является частью нового интеллектуального трансформатора. (Фото: ETH Zurich/Даниэль Ротмунд)
Переключение на сверхвысоких частотах
Ротмунду и его коллеге Томасу Гильоду пришлось разрабатывать многие компоненты для своих собственных трансформаторов, поскольку для среднего напряжения 10 000 вольт, с которым они работают, доступно лишь несколько компонентов.
Особенно важными были компоненты из карбида кремния, обеспечивающие чрезвычайно быстрое переключение, прототипы американской компании.
Используя их, аспиранты ETH смогли преобразовать среднее напряжение в очень высокую частоту 75 000 герц; в итоге трансформатор. Система, которую они построили это всего одна треть размера предыдущих смарт-трансформеров с аналогичными показателями мощности. И в то время как предыдущие системы обеспечивали энергоэффективность около 96 процентов, Rothmund и Guillod справились с 98 процентами, другими словами, они смогли вдвое сократить потери энергии с 4 процентов до всего лишь 2 процентов.
Два аспиранта ETH, Дэниел Ротмунд (слева) и Томас Гильод, в лаборатории среднего напряжения. (Фото: ETH Zurich/Peter Rüegg)
выпрямить переменный ток
Железнодорожные локомотивы — лишь одно из многих применений этих новых трансформаторов. «В отличие от обычных трансформаторов, умными трансформаторами можно управлятьобъясняет Ротмунд.
Их можно будет использовать в будущих электросетях, известных как интеллектуальные сети, для активного управления распределением электроэнергии и балансировки колебаний производства и спроса на электроэнергию.
Новая система способна не только изменять частоту переменного тока в сети, но и преобразовывать переменный ток (AC) в постоянный (DC). Приложение может быть Будущие крупномасштабные станции быстрой зарядки, который может одновременно заряжать несколько электромобилей. Затем эти точки зарядки можно было бы напрямую подключить к существующей сети переменного тока среднего напряжения с помощью эффективных компактных трансформаторов, а затем снизить среднее напряжение до желаемого напряжения. «Аккумуляторы заряжаются с использованием сравнительно низкого напряжения постоянного тока», — объясняет Ротмунд, добавляя: «По сравнению с традиционной технологией интеллектуальные трансформаторы имеют преимущество, когда речь идет о производстве постоянного тока из сети переменного тока среднего напряжения». .
Еще одним крупным классом потребителей, который выиграет от этого развития, являются центры обработки данных. Предоставление им более эффективных систем энергоснабжения сократит не только их счета за электроэнергию, но и количество производимого отработанного тепла, что сведет к минимуму энергию, необходимую для охлаждения.
По иронии судьбы, новая технология может сделать больше, чем просто облегчить переход к новой энергетической экономике, которая обезуглероживает и электрифицирует; это также могло бы способствовать эксплуатации труднодоступных запасов ископаемых. Нефтяная и газовая промышленность в настоящее время работает над способами доступа к глубоководным морским месторождениям с использованием подводных заводов вместо буровых установок. Они будут включать в себя насосы, компрессоры и роботы, расположенные на дне океана, и будут получать электричество от «пуповины», которая простирается на несколько километров до суши. Новая технология означает, что кабели могут передавать постоянный ток, который может передаваться более эффективно, чем переменный ток, на большие расстояния.в то время как относительно небольшой преобразователь на дне океана мог преобразовывать постоянный ток в переменный ток, необходимый машинам.
Его исследовательская работа проводилась в рамках Швейцарской национальной исследовательской программы Turnoverund Energy (NRP 70), которая направлена на изучение технологий, необходимых для реализации Энергетической стратегии страны до 2050 года.
Источник: Фабио Бергамин, ETH Zürich.
«Умные» трансформаторы могут сделать надежную интеллектуальную сеть реальностью
Интеллектуальные твердотельные трансформаторы (SST) могут использоваться для создания стабильной и надежной «умной сети», позволяющей системе распределения электроэнергии направлять возобновляемую энергию от домов и предприятий в электросеть.
Идея интеллектуальной сети, которая может управлять потоками энергии не только от энергетической компании к нашим домам, но и от наших домов к энергетической компании, существует уже много лет.
Помимо других преимуществ, такая сеть повысит эффективность использования возобновляемых источников энергии и хранения.
Но на сегодняшний день интеллектуальная сеть была в основном концептуальной. Новое исследование показывает, что в ближайшем будущем он может перейти от концепции к реальности с использованием уже существующих технологий. Ключевой технологией является охрана труда.
В 2010 году исследователи из Центра систем FREEDM Университета штата Северная Каролина представили первый SST, который не только выполнял все функции традиционного трансформатора, но и мог перенаправлять энергию по мере необходимости, чтобы учитывать изменения в спросе и предложении.
«SST является фундаментальным элементом концепции интеллектуальной сети», — говорит Икбал Хусейн, заслуженный профессор электротехники и вычислительной техники ABB в штате Северная Каролина и директор центра FREEDM. «Вы можете понизить напряжение для использования в домах и на предприятиях, но вы также можете повысить напряжение для солнечных батарей или других возобновляемых источников бытового масштаба, чтобы подавать эту энергию в сеть».
На этой диаграмме показано, как твердотельные трансформаторы могут быть включены в интеллектуальную энергосистему. Предоставлено: Центр систем FREEDM, Государственный университет Северной Каролины.
В журнале IEEE Transactions on Power Systems опубликована статья «Анализ безубыточности и методы распределения мощности для полупроводниковых распределительных систем с приводом от трансформатора». Алиреза Афиат Милани и др., Анализ безубыточности и методы распределения мощности для систем распределения с твердотельным трансформатором, IEEE Transactions on Power Systems (2017): DOI: 10.1109/TPWRS.2017.2720540
