Máy Biến áp điện tử: Ứng dụng làm tăng chất lượng và sự linh hoạt lưới điện – Tạp chí tự động hóa ngày nay | Automation today

Máy biến áp là thiết bị không hề thiếu trong mạng lưới điện của tất cả chúng ta. Các máy biến áp được lắp ráp rộng khắp những khu vực : trên cột điện, tại những trạm điện truyền tải, tại những khu công nghiệp, trong những khu dân cư, … Thật khó để tưởng tượng một quốc tế không có chúng .
• Tương lai của Lưới điện tự động hóa
Trong mạng lưới hệ thống điện phân phối, máy biến áp thường được sử dụng để quy đổi điện áp phía sơ cấp ( ví dụ như 15 kV hoặc 22 kV ) thành điện áp thứ cấp ( ví dụ như 120V, 240V hoặc 480V ) nhằm mục đích giảm tổn hao đường dây và giúp truyền tải điện một cách hiệu suất cao. Nguyên lý quy đổi điện áp này đã được ý tưởng và ứng dụng từ lúc dòng điện xoay chiều được đưa vào trong thực tiễn từ năm 1892. Đã hơn 100 năm trôi qua, nhưng công nghệ tiên tiến máy biến áp vẫn sống sót và ứng dụng thoáng đãng trong đời sống. Thật khó để hoàn toàn có thể tìm một công nghệ tiên tiến điện tử khác sống sót được lâu như vậy .

Tuy nhiên, đã đến chúng ta bắt đầu suy nghĩ về một thiết bị chuyển đổi điện áp mới, một thiết bị hoàn toàn khác biệt, khắc phục mọi nhược điểm của máy biến áp truyền thống. Như chúng ta đã biết, máy biến áp thường rất cồng kềnh. Chúng thường được làm mát bằng dầu, và dầu làm mát có thể bị rò rỉ cũng như việc tái chế máy biến áp cũ là rất khó khăn. Hơn nữa, máy biến áp là thiết bị điện thụ động. Chúng không được thiết kế để điều chỉnh hoạt động nhằm đáp ứng với nhu cầu tải thay đổi đột ngột. Bất cập này sẽ nhanh chóng cản trở hoạt động của lưới điện khi các nguồn điện phân tán như tua bin gió, tấm pin mặt trời và pin xe điện ngày càng phổ biến và trở thành nguồn cung cấp điện không thể thiếu trong hệ thống lưới truyền tải.

Tất cả những hạn chế này này của máy biến áp truyền thống cuội nguồn đã và đang được khắc phục nhờ những văn minh trong công nghệ tiên tiến vật tư bán dẫn mới. Bên cạnh đó, nhờ những tân tiến gần đây trong nghành nghề dịch vụ điện tử hiệu suất, solid state transformer ( SST ) hay còn được gọi là máy biến áp điện tử đã và đang được nghiên cứu và điều tra tăng trưởng. Với sự tăng trưởng của những giải thuật điều khiển và tinh chỉnh trong điện tử hiệu suất, những máy biến áp điện tử này hứa hẹn sẽ giải quyết và xử lý những trách nhiệm khó, nếu không muốn nói là không hề triển khai được so với một máy biến áp truyền thống lịch sử. Cụ thể, việc quản trị và tinh chỉnh và điều khiển dòng điện theo cả hai chiều giữa lưới điện hạ thế và lưới điện trung thế. Hơn nữa, những máy biến áp điện tử này hoàn toàn có thể được phong cách thiết kế theo mô-đun, giúp chúng thuận tiện luân chuyển và lắp ráp. Về mặt kích cỡ và khối lượng, chúng hoàn toàn có thể nhỏ hơn đáng kể so với một máy biến áp truyền thống lịch sử với hiệu suất tương tự, và khối lượng của chúng chỉ bằng 50% và một phần ba thể tích .
Trong điều kiện kèm theo thao tác thời gian ngắn, máy biến áp điện tử là một giải pháp hiệu suất cao nhằm mục đích khắc phục hậu quả thiên tai ở những nơi có hạ tầng điện bị hư hỏng và lắp ráp ở những cơ sở quan trọng như tòa nhà chính phủ nước nhà, những viện và TT nghiên cứu và điều tra khoa học. Hơn nữa, bằng việc vận dụng những giải thuật tinh chỉnh và điều khiển hiệu suất một cách hiệu suất cao, những máy biến áp điện tử này có năng lực phân phối nhu yếu phụ tải với vận tốc cao, cải tổ đáng kể tính không thay đổi và hiệu suất cao nguồn năng lượng của mạng lưới hệ thống điện. Về mặt ngân sách, máy biến áp điện tử hoàn toàn có thể vô hiệu một khoản ngân sách đáng kể trong hạ tầng điện phân phối nhờ việc vô hiệu những thành phần cơ khí cồng kềnh trong việc kiểm soát và điều chỉnh điện áp .
Mặc dù có tiềm năng, nhưng máy biến áp điện tử vẫn gặp một trở ngại lớn đó là công nghệ tiên tiến của những khóa bán dẫn, đặc biệt quan trọng là nhu yếu thiết bị bán dẫn phải chịu được điện áp cao và hoàn toàn có thể đóng cắt ở tần số cao. Trong vòng 10 năm qua, đã có những bước tiến lớn trong việc tăng trưởng công tắc nguồn bán dẫn dựa trên những hợp chất bán dẫn – đặc biệt quan trọng là silicon carbide. Hợp chất silicon carbide này có một loạt những đặc tính mê hoặc nhờ vào size khe vùng ( band gap ) lớn – khe vùng của silicon carbide là 3,26 eV so với 1,1 eV của vật tư silicon truyền thống lịch sử. Điều này có nghĩa là vật tư hoàn toàn có thể tiếp xúc với điện trường và nhiệt độ cao hơn đáng kể so với vật tư silicon truyền thống lịch sử mà không bị phá vỡ đặc tính .
Ngoài ra, silicon carbide hoàn toàn có thể chịu được điện áp cao hơn cũng như size khóa bán dẫn hoàn toàn có thể sản xuất nhỏ gọn hơn. Do đó, silicon carbide được cho phép đóng cắt mạch điện tử hiệu suất với tần số nhanh hơn nhiều so với những khóa bán dẫn dựa trên vật tư silicon truyền thống lịch sử. Tốc độ chuyển mạch nhanh hơn cũng làm giảm tổn thất nguồn năng lượng, vì thế những khóa bán dẫn silicon carbide hoàn toàn có thể mang nhiều dòng điện hơn trên một diện tích quy hoạnh nhất định. Với những nguyên do trên, silicon carbide là sự lựa chọn tối ưu cho việc tăng trưởng máy biến áp điện tử .

Bộ chuyển đổi đầu tiên, được gọi là bộ chuyển đổi đầu cuối, thiết kế với mục tiêu chuyển đổi dòng điện xoay chiều AC (ví dụ 13,8kV) thành dòng điện một chiều DC. Việc chuyển đổi AC sang DC được thực hiện bằng cách sử dụng một bộ khóa bán dẫn IGBT silicon hoặc silicon carbide. Để chuyển đổi dòng điện ở tần số 60Hz ở Hoa Kỳ – thành dòng điện một chiều, cần hai bộ khóa bán dẫn bổ sung. Một bộ hoạt động khi điện xoay chiều tới có điện áp dương và bộ còn lại hoạt động khi điện áp âm. Điều này giúp nâng cao chất lượng điện áp và dòng điện với rất ít nhiễu và sóng hài. Trung tâm Hệ thống Cung cấp và Quản lý Năng lượng điện tái tạo trong tương lai (Future Renewable Electric Energy Delivery and Management – FREEDM), Hoa Kỳ, đang là đơn vị tiên phong nghiên cứu máy biến áp điện tử với mục tiêu hiện đại hóa lưới điện, làm cho lưới điện trở nên an toàn, đáng tin cậy và bền vững hơn với môi trường. Tại FREEDM, máy biến áp điện tử được nghiên cứu thiết kế với cấu tạo bao gồm ba mô-đun: bộ chuyển đổi đầu cuối (Front-End), bộ chuyển đổi DC-DC, và bộ biến tần 60 Hz.

Trong mô-đun thứ hai, một bộ khóa bán dẫn khác quy đổi dòng điện một chiều đến thành dòng điện xoay chiều với tần số cao ( vài chục kHz ). Dòng điện này sau đó được đi qua một máy biến áp tần số cao – để quy đổi điện áp xuống 800V. Tại sao tần số cao lại được sử dụng ? Về cơ bản, kích cỡ của một máy biến áp tỷ suất nghịch với tần số của điện áp mà nó phải đổi khác. Tần số càng cao, máy biến áp càng nhỏ – điều này dẫn đến hiệu quả là máy biến áp tần số cao sẽ hoạt động giải trí hiệu suất cao hơn và kích cỡ cũng thu gọn hơn. Sau khi giảm điện áp, một bộ chuyển đổi nguồn năng lượng sẽ quy đổi dòng điện xoay chiều ở tần số cao này trở lại thành dòng điện một chiều .
Mô-đun thứ ba là một bộ biến tần, sử dụng một bộ khóa bán dẫn khác để chuyển đổi điện một chiều trở lại điện xoay chiều với tần số chính 60H z, lúc này điện áp tiêu chuẩn hoàn toàn có thể được cung ứng một cách bảo đảm an toàn cho người dùng cuối .
Trong một điều tra và nghiên cứu gần đây của FREEDM, Máy biến áp điện tử dựa trên công nghệ tiên tiến truyền thống cuội nguồn silicon cần ba bộ IGBT silicon được sắp xếp tiếp nối đuôi nhau để chuyển đổi điện đầu vào áp 7,2 kV xuống đầu ra 240V, và chỉ hoàn toàn có thể đóng cắt ở tần số tối đa 3 kHz. Phiên bản máy biến áp điện tử dựa trên công nghệ tiên tiến mới silicon carbide có hiệu suất tương tự như với cấu trúc gồm một bộ khóa bán dẫn silicon carbide hoàn toàn có thể hoạt động giải trí ở tần số cao 20 kHz. Nhờ đó, máy biến áp trong mô-đun thứ hai với công nghệ tiên tiến mới silicon carbide chỉ bằng 20 % ​ ​ kích cỡ của một máy biến áp 60H z thường thì. Khi so sánh công nghệ tiên tiến mới silicon carbide với công nghệ tiên tiến truyền thống cuội nguồn silicon, kích cỡ máy biến áp điện tử đã giảm đi được ba lần, giúp tiết kiệm chi phí ngân sách luân chuyển và lắp ráp .
Với cách tiếp cận ba mô-đun, pin và những nguồn nguồn năng lượng tái tạo hoàn toàn có thể liên kết trực tiếp với điểm hiệu suất DC của máy biến áp điện tử. Kết quả là những nguồn nguồn năng lượng đó hoàn toàn có thể truyền tải trực tiếp với lưới điện. Sự sắp xếp này sẽ làm giảm đáng kể tổn hao lượng nguồn năng lượng khi những tấm pin mặt trời, tuabin gió và những nguồn nguồn năng lượng tựa như truyền tải nguồn năng lượng vào lưới điện .
Với những tác dụng thu được đầy ấn tượng về máy biến áp điện tử, tất cả chúng ta hoàn toàn có thể đạt được những bước tiến vượt bậc trong nghành nghề dịch vụ phân phối, truyền tải nguồn năng lượng trong tương lai không xa. Hơn thế nữa, bằng việc làm chủ công nghệ tiên tiến này, tất cả chúng ta hoàn toàn có thể quản trị nguồn năng lượng truyền tải một cách mưu trí, từ đó mang lại sự linh động và năng lực không thay đổi lưới điện tốt hơn nhiều so với một máy biến áp kiểu truyền thống cuội nguồn .

Nguyễn Duy Long (Đại học Ulsan, Hàn Quốc),
Phạm Minh Đức (Đại học Ulsan, Hàn Quốc)
Cộng đồng điện tử Công suất Việt Nam
Email: [email protected]
[email protected]

Tham khảo bài báo gốc
[1] [Online] Available: https://spectrum.ieee.org/smart-transformers-will-make-the-grid-cleaner-and-more-flexible

Source: https://vh2.com.vn
Category : Ứng Dụng