"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF8687
ETF8687 "Intelligentne trafo – talitlusrežiimide analüüs (1.01.2011−31.12.2014)", Indrek Roasto, Tallinna Tehnikaülikool, Energeetikateaduskond.
ETF8687
Intelligentne trafo – talitlusrežiimide analüüs
Intelligent Transformer – Analysis of Operating Modes
1.01.2011
31.12.2014
Teadus- ja arendusprojekt
Eesti Teadusfondi uurimistoetus
ValdkondAlamvaldkondCERCS erialaFrascati Manual’i erialaProtsent
4. Loodusteadused ja tehnika4.8. Elektrotehnika ja elektroonikaT170 Elektroonika 2.2. Elektroenergeetika, elektroonika (elektroenergeetika, elektroonika, sidetehnika, arvutitehnika ja teised seotud teadused)100,0
AsutusRollPeriood
Tallinna Tehnikaülikool, Energeetikateaduskondkoordinaator01.01.2011−31.12.2014
PerioodSumma
01.01.2011−31.12.20117 200,00 EUR
01.01.2012−31.12.20127 200,00 EUR
01.01.2013−31.12.20137 200,00 EUR
01.01.2014−31.12.20147 200,00 EUR
28 800,00 EUR

Trafod on jaotusvõrgu põhi komponendid. Nad on suhteliselt lihtsa ehituse ja kõrge kasuteguriga (kuni 97 %) seadmed. Samas on neil ka olulisi puudusi nagu näiteks suur kaal, mõõtmed, keerukad kaitselülitusseadmed, akustiline müra, kõrged hoolduskulud ning keskkonna ohtlike mineraalõlide lekkeoht. Need puudused omavad üha rohkem kaalu, mida tähtsamaks muutub pinge kvaliteet täna päeva elektrivõrkudes. Viimase aja trendideks on taastuvenergia allikate, energia salvestite ja nn. tarkvõrkude üha kasvav rakendamine. On selge, et tavalised madalsageduslikud (50 Hz) jaotustrafod ei sobi enam säärastesse tarkvõrkudesse. Vaja läheks uusi paindlikumaid lahendusi. Üheks lahenduseks oleks kasutada intelligentseid trafosid. Intelligentse trafo (ITR) ideeks on asendada tavaline madalsageduslik trafo kompaktsema kõrgsagedusliku trafoga ( >1 kHz). Kõrgem sagedus võimaldab magnetsüdamiku efektiivsemalt ära kasutada tänu millele saab oluliselt vähendada trafo mõõtmeid ja kaalu. ITR koosneb kolmest osast: sisend-, isolatsiooni ja väljundosast. Sisendosa on kahesuunaline juhitav alaldi. Isolatsiooni osa koosneb alalispingemuundurist koos kõrgsagedustrafoga. Väljundosa moodustab siinusvaheldi, mis muundab madaldatud alalispinge tagasi võrgusageduslikuks vahelduvpingeks. ITR on multifunktsionaalne süsteem sisaldades mitmeid integreeritud omadusi: kaitse algoritmid, väljundpinge reguleerimine, reaktiivvõimsuse kompenseerimine, sujuvkäivitus, „tarkarvestid”, diagnostika funktsioonid ja distantsjuhtimine. Rakendades uudseid kõrgepingelisi pooljuhtkomponente (SiC, GaN), optimeeritud muundurite topoloogiaid ja intelligentseid juhtimisalgoritme on võimalik ehitada ITR, mis oleks oluliselt kergem, kompaktsem, loodussõbralikum ja paindlikum võrreldes tavaliste madalsageduslike jaotustrafodega.
Distribution transformers are fundamental components in power distribution systems. They have relatively simple construction and high efficiency (up to 97 %). However, they also have several disadvantages such as heavy weight, large size, complex protection system, acoustic noise, high maintenance costs, and environmental concerns regarding mineral oil. These drawbacks are becoming increasingly important as the power quality becomes more of a concern, which is a strong tendency today. Modern trends in electrical energy technology are characterized by steadily growing need for renewable energy sources, energy storage, and smart grid technologies. Clearly traditional low frequency (50 Hz) distribution transformers are not anymore suitable for such demanding applications. The basic idea behind an intelligent transformer (ITR) is to use a high frequency ( >1 kHz) transformer instead of the traditional low frequency transformer. Increasing the frequency allows higher utilization of the magnetic core and reduction in the size of the transformer. ITR consists of three stages: input, isolation, and output stage. The input stage is a bidirectional controllable rectifier. The isolation stage is a DC/DC converter including high frequency transformer. The output stage is a sinus inverter, which converts the reduced DC voltage back to low frequency (50 Hz) alternating grid voltage. ITR is a multifunctional system with many integrated features as protection functions, output voltage regulation, reactive power compensation, soft start, smart meter, diagnostics, and distance control. By implementing new high voltage semiconductor devices (SiC, GaN), optimized converter topologies and smart control algorithms it is possible to design an ITR that would be substantially lighter, more compact, efficient, environmental friendly, and flexible as compared to traditional distribution transformers.
Antud projekti peamiseks eesmärgiks oli välja töötada intelligentne trafo (ITR), mis oleks oluliselt kergem, töökindlam, keskkonna sõbralikum ja paindlikum kui tavaline jaotustrafo. Projekt algas tasutauuringutega, millega selgitati välja tehnoloogia seis. Vastavalt projekti plaanile hakati järgnevalt uurima isolatsioonilüli, mis on laia tööpinge, võimsuse reguleerimisvahemiku ja kasuteguri tõttu ITR kõige kriitilisem osa. Isolatsioonilüli uurimine määrati doktoritööteemaks Viktor Beldjajevile, kes kaitses edukalt doktori kraadi mais 2013. Aastal 2012 kutsus I. Roasto kokku rahvusvahelise konsortsiumi (Eesti, Hispaania, Portugal, Saksamaa, Poola), mis hakkas töötama simulatsiooni mudelite ja juhtimisstrateegiate kallal. Aasta lõpuks töötati välja uudne modullaarsetel ehitusklotsidel baseeruv ITR kontseptsioon ja alustati vähendatud mõõtmetega prototüübi (10 kVA) ehitamist. Prototüüp ehitati valmis Poolas Gdynia Mereakadeemia laboris. 2014 transporditi valmis prototüüp Eestisse, kus I. Roasto koostöös Hispaania järeldoktorandiga Victor Minambres-Marcosega käivitasid projekti viimase faasi juhtimissüsteemi arenduseks. Realiseeriti järgmised funktsioonid: paindlik kommunikatsiooni liides, võrguga sünkroniseerimise algoritm, võimsusteguri kompenseerimine, reaktiivvõimsuse juhtimine, diagnostika funktsioonid, kaitse ja juhtimise algoritmid. Kokkuvõtteks, ITR täisvõimsusega (560 kVA) prototüüp jäi ehitamata, kuna rahalised vahendid olid liialt väiksed. Vähendatud võimsusega prototüüp (10 kVA) ehitati valmis ja katsetati osaliselt. Hetkel töötab süsteem ühe faasilisena vähendatud võimsusel. Aja puuduse tõttu modelleeriti pehmelülitust ja energiasalvesti lisamist arvutil, kuid ei rakendatud reaalsel prototüübil. Tuleviku perspektiivis on plaanis katsetada reaalsel prototüübil kõiki lisafunktsioone, mida simuleeriti ja panna prototüüp tööle täisvõimsusel. Konsortsium jätkab tööd ja püüab leida uut rahastust.