Middenspanningsconverters:een kosteneffectief alternatief voor nettransformatoren

Vermogenselektronica INSIDER

Middenspanningsomvormers zouden een meer betaalbare en efficiënte manier kunnen bieden om elektriciteit van elektriciteitscentrales naar woningen en bedrijven te transporteren. Het nieuwe testbed van NREL zou deze veelbelovende technologieën kunnen helpen bevorderen. (Afbeelding:Josh Bauer, NREL).

Om alles te elektrificeren, van voertuigen tot verwarmingssystemen en kookplaten, moet het Amerikaanse elektriciteitsnet met ongeveer 57% uitbreiden en ook flexibeler worden. Zonne- en windenergie zijn de hernieuwbare energiebronnen die het toekomstig schone energienet waarschijnlijk zullen domineren. Maar ze zijn vooral te vinden in afgelegen gebieden, ver van de hubs die hun stroom nodig hebben, wat een belasting is voor het transmissiesysteem.

De afgelopen vier jaar heeft het NREL-team een testopstelling gebouwd om back-to-back middenspanningsconverters (1 kV tot 35 kV) te bestuderen, die middenspanningstransformatoren zouden kunnen vervangen tegen een fractie van het gewicht en de kosten.

"Dit is een nieuw type apparatuur dat een geheel nieuwe manier opent voor een nutsbedrijf om zijn distributiesystemen te beheren", zegt Barry Mather, onderzoeker bij NREL. “Er zouden veel hogere niveaus van gedistribueerde energiebronnen op een circuit kunnen worden geplaatst als je dit extra apparaat in het systeem zou hebben.”

"Het Amerikaanse elektriciteitsnet is weinig uniek", zei Mather. “We hebben middenspanningsdistributie die behoorlijk dicht bij onze klanten terechtkomt.” De middenspanningsvoedingen leveren stroom aan een lokale transformator die de spanning terugbrengt naar het standaard huishoudelijke niveau van 208/120 volt.

Stel dat een boomtak op een elektriciteitskabel valt, waardoor de elektriciteit naar een buurt wordt afgesloten. Tegenwoordig kan een nutswerker schakelaars in een transformator openen en sluiten om de stroom van een nabijgelegen lijn naar de verstoorde lijn te verplaatsen en op zijn minst een deel van de stroom te herstellen terwijl de werknemers de boom verwijderen. Maar als we een transformator kunnen vervangen door een back-to-back-converter, kan de stroom automatisch worden omgeleid, waardoor de uitvaltijden worden verminderd.

Het delen van macht is niet alleen nuttig in noodsituaties. Veel van de huidige zonnepanelen op daken moeten hun energie eerst omzetten naar lage spanning en vervolgens naar middenspanning. Met middenspanningsomvormers kan die energie een onnodige hindernis overslaan.

“Het lijkt een beetje op machtsarbitrage binnen het distributiesysteem”, zegt Mather. “Hiermee kun je een groot deel van de impact van gedistribueerde hulpbronnen, met name zonne-energie, verzachten.”

Kortom, middenspanningsconverters kunnen nutsbedrijven helpen veilig te controleren hoe en waar elektriciteit door lokale netwerken beweegt. En dat zou ertoe kunnen bijdragen dat een toekomstig schoon energienet zowel veerkrachtig als betrouwbaar wordt.

Middenspanningsomvormers zijn nog een relatief nieuwe technologie. Dat betekent dat ze uitgebreide tests moeten ondergaan om er zeker van te zijn dat ze efficiënt, betaalbaar en veilig genoeg zijn om in het Amerikaanse elektriciteitsnet te worden geïntroduceerd.

Maar het is niet eenvoudig om ze te bouwen of te bestuderen. “De checklist voor opstart-, bedienings- en afsluitprocedures moest worden geschreven en herschreven”, zegt Ramanathan Thiagarajan, onderzoeksingenieur bij NREL.

Voor het NREL-testbed heeft het team een replica gebouwd van het soort energiesysteem dat zou kunnen profiteren van hun middenspanningsomvormers. Veiligheid – voor de bemanning maar ook voor het prototype – was de topprioriteit van het team. Het hele testbed, dat een ruimte in beslag neemt die ongeveer zo groot is als een stadsbus, is omsloten door een zwart hek.

De academische partners van het team hebben één prototype gebouwd:een op siliciumcarbide gebaseerde stroomomvormer van 10 kilovolt die is ontworpen om back-to-back met zijn tweelingbroer te werken. Toen de onderzoekers klaar waren om het prototype op hun netreplica aan te sluiten, voerden ze de spanning beetje bij beetje op totdat ze het middenspanningsbereik bereikten. Het prototype was te kostbaar (en te duur) om schade door een spanningsstoot te riskeren.

"We zijn tot het bereik van 5 kilovolt gekomen", zei Mather. “Het is geen gigantisch aantal, maar het is hoger dan wie dan ook heeft geopereerd.”

Vervolgens zijn ze van plan hun testbed open te stellen voor meer onderzoek naar hoe middenspanningsapparaten het elektriciteitsnet kunnen helpen zich aan te passen of te vertrouwen op waterstof als een andere bron van schone energie. Het NREL-team hoopt ook nog hogere spanningen te bereiken in een geheel nieuwe faciliteit. “Het lijkt er over het algemeen op dat de dag van de middenspanningsstroomconversie snel nadert”, zegt Mather. “We zullen steeds meer toepassingen zien en steeds meer mensen die hierin geïnteresseerd zijn.

Bron