Este artigo faz parte do nosso exclusivo Série IEEE Journal Watch em parceria com IEEE Xplore.
A rápida construção de estações de carregamento rápido para veículos elétricos está testando os limites da atualidade rede elétrica. Com carregadores individuais consumindo 350 a 500 quilowatts (ou mais), o que torna os tempos de carregamento para VEs agora funcionalmente equivalente ao tempo de abastecimento de gasolina ou diesel veículo, os locais de carregamento completo podem atingir uma demanda em escala de megawatts. Isso é o suficiente para forçar redes de distribuição de média tensão—o segmento da rede que liga as linhas de transmissão de alta tensão às linhas de baixa tensão que atendem os usuários finais em residências e empresas.
Carregamento rápido CC as estações tendem a estar agrupadas em centros urbanos, ao longo de rodovias e em depósitos de frotas. Como a carga não é distribuída uniformemente pela rede, determinadas subestações ficam sobrecarregadas – mesmo quando a capacidade geral da rede é classificada para acomodar a carga. Superando esse problema à medida que mais estações de carregamentocom maiores demandas de energia, ficar on-line requer eletrônica de potência que não são apenas compactos e eficientes, mas também capazes de gerenciar armazenamento native e insumos renováveis.
Uma das tecnologias mais promissoras para modernizar a rede para que ela possa acompanhar as demandas dos veículos eletrificação e a geração renovável é o transformador de estado sólido (SST). Um SST executa a mesma função básica de um transformador convencional – aumentando ou diminuindo a tensão. Mas faz isso usando semicondutoresconversão de alta frequência com carboneto de silício ou nitreto de gálio interruptores e controle digital, em vez de apenas acoplamento magnético passivo. A configuração de um SST permite controlar o fluxo de energia dinamicamente.
Durante décadas, a infraestrutura de carregamento dependeu de transformadores de frequência de linha (LFTs) – conjuntos maciços de ferro e cobre que reduzem CA de média tensão para CA de baixa tensão antes ou depois da conversão externa de corrente alternada para corrente alternada. corrente contínua que Baterias EV exigir. Um LFT típico pode conter até algumas centenas de quilogramas de enrolamentos de cobre e algumas toneladas de ferro. Todo esse steel é caro e cada vez mais difícil de obter. Estes sistemas são fiáveis, mas volumosos e ineficientes, especialmente quando a energia flui entre o armazenamento native e os veículos. Os SSTs são muito menores e mais leves que os LFTs que foram projetados para substituir.
“Nossa solução atinge a mesma contagem de dispositivos semicondutores que um conversor de porta única, ao mesmo tempo que fornece múltiplas saídas CC controladas independentemente.” –Shashidhar Mathapati, Delta Eletrônica
Mas a maioria dos SST multiportas desenvolvidos até agora têm sido demasiado complexos ou dispendiosos (entre cinco e 10 vezes o custo inicial dos LFT). Essa diferença – além da dependência dos SSTs da bateria auxiliar bancos que acrescentam mais despesas e reduzem a confiabilidade – explica por que os benefícios óbvios do estado sólido ainda não foram incentivou a mudança para a tecnologia dos LFTs.
Surjakanta Mazumder, Saichand Kasicheyanula, Harisyam PV e Kaushik Basu mantêm seu protótipo SST em um laboratório.Harisyam PV, Saichand Kasicheyanula, et al.
Como tornar os transformadores de estado sólido mais eficientes
Em um estudar publicado em 20 de agosto em Transações IEEE em Eletrônica de Potênciapesquisadores da o Instituto Indiano de Ciência e Delta Eletrônica Índiaambos em Bengaluru, propuseram o que é chamado de SST multiporta baseado em ponte H em cascata (CHB) que elimina esses comprometimentos. “Nossa solução atinge a mesma contagem de dispositivos semicondutores que um conversor de porta única, ao mesmo tempo que fornece múltiplas saídas CC controladas independentemente”, afirma Shashidhar Mathapatio CTO da Delta Electronics. “Isso significa nenhum armazenamento adicional de bateria, nenhum dispositivo semicondutor additional e nenhum isolamento additional de média tensão.”
A equipe construiu um protótipo de laboratório de 1,2 quilowatts para validar o projeto, alcançando 95,3% de eficiência na carga nominal. Eles também modelaram um sistema em escala actual de 11 quilovolts e 400 quilowatts dividido em duas portas de 200 quilowatts.
No centro do sistema está um transformador multienrolamento localizado no lado de baixa tensão do conversor. Esta configuração evita a necessidade de isolamento de média tensão dispendioso e volumoso e permite o equilíbrio de energia entre portas sem auxiliares. baterias. “Projetos anteriores de multiportas baseados em CHB precisavam de vários bancos de baterias ou redes de capacitores para equilibrar a carga”, escreveram os autores em seu artigo. “Mostramos que você pode obter o mesmo resultado com um arranjo de transformador mais simples, mais leve e mais confiável.”
Uma nova estratégia de modulação e controle mantém um fator de potência unitário na interface da rede, o que significa que nenhuma corrente proveniente da rede é desperdiçada oscilando para frente e para trás entre a fonte e a carga sem realizar nenhum trabalho. O SST descrito pelos autores também permite que cada porta DC opere de forma independente. Em termos práticos, cada veículo ligado ao carregador seria capaz de receber a tensão e a corrente adequadas, sem afetar os portos vizinhos ou perturbar a ligação à rede.
Usando chaves de carboneto de silício conectadas em série, o sistema pode lidar com entradas de média tensão enquanto mantém alta eficiência. Uma conexão à rede de 11 quilovolts exigiria apenas 12 módulos em cascata por fase, o que é aproximadamente a metade de alguns projetos de conversores modulares multinível. Em última análise, menos módulos significam menor custo, controle mais simples e maior confiabilidade.
Embora ainda esteja em fase de laboratório, o projeto poderá permitir uma nova geração de hubs de carregamento rápido compactos e econômicos. Ao eliminar a necessidade de armazenamento intermediário de baterias – o que acrescenta custo, complexidade e manutenção – a proposta topologia poderia prolongar a vida útil operacional das estações de carregamento de EV.
Segundo os pesquisadores, este conversor não serve apenas para carregar veículos elétricos. Qualquer aplicação que exact de conversão de média tensão para baixa tensão multiportas – como centros de dadosintegração renovável ou redes industriais de corrente contínua – poderiam ser beneficiadas.
Para empresas de serviços públicos e fornecedores de carregamento que enfrentam uma procura à escala de megawatts, este transformador de estado sólido simplificado pode ajudar a tornar a revolução dos veículos elétricos mais amiga da rede e mais rápida para os condutores que aguardam para carregar.
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