电网电子研究将缩小与更清洁 更可靠电力的差距

当今的电力电子设备需要在瞬间完成转换电流方向或调整电压等任务，往往会在极端条件下运行。为个人车辆充电或存储商用太阳能电池板的能量需要低电压，而高电压用于风能和太阳能发电场或互连配电和输电系统等公用事业规模项目。

但电力电子设备存在1,500伏至50,000伏(“中压”范围)之间的电压差，这对于更大规模的可再生能源项目、风力涡轮机等大型设备以及火车和垂直起飞飞机等大型电动汽车至关重要。

弥补这一差距将有助于美国实现清洁能源目标，并扩大负担过重的电网的容量，而无需修建数千英里的新输电线路。

“有很多应用都适合这里，但中间空间的技术尚未被证明是可靠的或具有成本效益的，”橡树岭国家实验室网格系统硬件组负责人PrasadKandula说。

为了帮助满足这一需求，橡树岭国家实验室将指导能源部新的中压资源集成技术计划(MERIT)，该计划将与四个国家实验室和五所大学合作开发在中压范围内高效运行的设备。

Kandula指出，中压电力电子设备已经变得更加便宜，并且制造开关可以减小系统的尺寸、重量和体积。他说：“使用中压电力电子设备进行电力转换预计会更加高效，并且可以在更小的空间内容纳更多的电力。”

有益于电网可靠性和清洁能源

填补这一技术空白还可以满足扩大电网容量的迫切需要，以满足当今的需求并提供明天的经济发展机会。

北美大部分电网使用交流电。但可再生能源发电和电动汽车需要直流电。电力电子设备用于在这些流之间切换并连接单独的系统。将这些功能扩展到中压将为电力可靠性开辟新的选择。

例如，中压电力电子设备可用于从一个有额外供应的地区向难以满足需求的邻近系统供电。这可以防止轮流停电、价格飙升和启动污染性备用发电厂。在另一种情况下，中压电力电子设备可以帮助将配电网的关键部分从交流电转换为直流电，因为直流电在长距离输送电力方面更有效。这将从本质上增加使用相同电力线的输送能力。

坎杜拉表示，中压电力电子设备还可以为具有自己的太阳能和电池的微电网等项目提供完整的直流运行。“最初，数据中心生态系统很可能用于校园等孤立系统，”坎杜拉说。“下一层可能是几英里的配电馈线，就像电网边缘的太阳能发电厂。”

仅直流系统需要较少的电力转换设备，并消除转换过程中发生的能量损失。它可以使清洁能源更加高效和经济，特别是随着大型太阳能和风电场越来越多地建在远离电力需求集中的人口中心的情况下。

中压研究领导力和能力

橡树岭国家实验室的研究人员一直在开发一系列中压构建模块，例如转换器模块、专用磁性元件和隔离电气问题的保护机制。

“通过MERIT，我们将开发不同类型的构建块以提高可靠性，然后堆叠多个块以达到更高的电压，”Kandula说。将各种模块插入更大架构的能力将使探索新的电力应用变得更加容易，从为长途电动卡车充电到为钢铁行业生产绿色氢气。

这项工作建立在ORNL电网研究集成与开发中心(GRID-C)的经验和能力之上，研究人员可以在该中心模拟不同的架构、构建转换器并测试高达13,000伏的电压。

“我们正在开发一个跨组件的技术矩阵，可以应用于许多应用，”ORNL能源系统集成和控制部门负责人MadhuChinthavali说。“ORNL的GRID-C拥有独特的组件构建能力、测试台和专业知识，可以全面开发和测试这些电力电子组件。”

对于MERIT，ORNL将扩大与公用事业公司的现有关系，以确定中压需求。该计划建立在电力电子电气化加速器联盟(PACE)的基础上，该计划于2022年创建，旨在加强研究机构、电力公司和制造商之间的合作。PACE是美国能源部电力办公室的一项倡议，正在增加合作伙伴，以将创新迅速从实验室推向电网。

各个实验室可以与行业合作，追求中压电力电子技术的具体进步。“我们的最终目标是选择一个用例，与合作伙伴合作，构建一个完整的系统，安装它，展示它在现场的运行情况并显示财务影响，”坎杜拉说。

其他MERIT研究合作伙伴包括国家可再生能源实验室、桑迪亚国家实验室、太平洋西北国家实验室、阿肯色大学、弗吉尼亚理工学院和州立大学以及佛罗里达州立大学。MERIT项目由美国能源部电网现代化实验室联盟的电网现代化计划资助。

德克萨斯大学巴特尔分校为能源部科学办公室管理橡树岭国家实验室，该办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者。科学办公室正在努力解决我们这个时代一些最紧迫的挑战。欲了解更多信息，请访问energy.gov/science。