Mediumspanningsomzetters: Een kosteneffectieve alternatief voor nettransformatoren

Power Electronics INSIDER

Mediumspanningsomzetters kunnen een betaalbaardere en efficiëntere manier bieden om elektriciteit van elektriciteitscentrales naar huizen en bedrijven te transporteren. NREL's nieuwe testomgeving kan helpen deze veelbelovende technologieën te versterken. (Afbeelding: Josh Bauer, NREL).

De uitdaging van het Amerikaanse elektriciteitsnet

Om alles te elektrificeren — van voertuigen tot verwarmingssystemen tot kookplaten — moet het Amerikaanse net met ongeveer 57% uitbreiden en flexibeler worden. Zonne- en windenergie zijn de hernieuwbare bronnen die een toekomstig schoon energienet zullen domineren. Maar ze liggen voornamelijk in afgelegen gebieden, ver van de knooppunten die hun energie nodig hebben, wat een last is voor het transportsysteem.

De afgelopen vier jaar heeft het NREL-team een testomgeving gebouwd om back-to-back mediumspanningsomzetters (1 kV tot 35 kV) te bestuderen, die mediumspanningstransformatoren kunnen vervangen voor een fractie van het gewicht en de kosten.

„Dit is een nieuw type apparatuur die een heel nieuwe manier opent voor een netbeheerder om hun distributiesystemen te beheren,” zei Barry Mather, onderzoeker bij NREL. „Veel hogere niveaus van gedistribueerde energiebronnen kunnen op een circuit worden aangesloten als u dit extra apparaat in het systeem heeft.”

„Het Amerikaanse net is een beetje uniek,” zei Mather. „We hebben mediumspanningsdistributie die ziemlich dicht bij onze klanten uitkomt.” De mediumspanningsfeeders brengen energie naar een lokale transformator die het verlaagt naar standaard huishoudniveaus van 208/120 volt.

Stel een tak valt op een hoogspanningslijn, waardoor een buurt stroomloos valt. Vandaag kan een netbeheerder schakelaars in een transformator openen en sluiten om stroom van een nabijgelegen lijn naar de gestoorde te verplaatsen en tenminste enige stroom te herstellen terwijl werknemers de tak verwijderen. Maar als we een transformator kunnen vervangen door een back-to-back omzetter, kan stroom automatisch worden omgeleid, wat storingstijden vermindert.

Stroomdeling is niet alleen nuttig in noodsituaties. Veel van de huidige zonnepanelen op daken moeten hun energie eerst omzetten naar lage spanningen en daarna naar mediumspanning. Met mediumspanningsomzetters kan die energie een onnodige stap overslaan.

„Het is een beetje als arbitrage van stroom door het distributiesysteem,” zei Mather. „Het stelt je in staat om veel van de impacten van gedistribueerde bronnen, specifiek zonne-energie, te mitigeren.”

Kortom, mediumspanningsomzetters kunnen netbeheerders helpen veilig te controleren hoe en waar elektriciteit door lokale netten stroomt. En dat kan helpen een toekomstig schoon energienet zowel veerkrachtig als betrouwbaar te maken.

Uitdagingen en testen

Mediumspanningsomzetters zijn nog een relatief nieuwe technologie. Dat betekent dat ze uitgebreide tests moeten ondergaan om te garanderen dat ze efficiënt, betaalbaar en veilig genoeg zijn voor introductie in het Amerikaanse elektriciteitsnet.

Maar het is niet makkelijk om ze te bouwen of te bestuderen. „De checklist voor opstart, bediening en afsluitprocedures moest geschreven en herschreven worden,” zei Ramanathan Thiagarajan, onderzoekingenieur bij NREL.

Voor de NREL-testomgeving bouwde het team een replica van het soort energiestelsel dat voordeel kan hebben van hun mediumspanningsomzetters. Veiligheid — voor het team maar ook het prototype — was de topprioriteit. De hele testomgeving, die een ruimte inneemt ongeveer de grootte van een stadsbus, is omheind met een zwarte heining.

De academische partners van het team bouwden één prototype: een 10-kilovolt siliciumcarbide-gebaseerde stroomomzetter ontworpen om back-to-back met zijn tweeling te werken. Toen de onderzoekers klaar waren om het prototype in hun netreplica te pluggen, duwden ze de spanning stapje voor stapje omhoog tot ze het mediumspanningsbereik bereikten. Het prototype was te kostbaar (en duur) om te riskeren te beschadigen met een spanningsschok.

„We zijn wel tot het 5-kilovoltbereik gekomen,” zei Mather. „Het is geen massaal getal, maar dat is hoger dan iemand ooit heeft geopereerd.”

Vervolgens willen ze hun testomgeving openen voor meer onderzoek naar hoe mediumspanningsapparaten het net kunnen helpen aanpassen of vertrouwen op waterstof als een andere bron van schone energie. Het NREL-team hoopt ook nog hogere spanningen te bereiken in een volledig nieuwe faciliteit. „Mediumspanningsstroomomzetting in het algemeen ziet eruit alsof haar dag snel aankomt,” zei Mather. „We gaan steeds meer toepassingen en meer geïnteresseerden zien.”

Bron