Ing. Jakub Zedník

This paper presents an assessment of Solid State Transformer (SST) topologies from the usability in energy applications point of view. SSTs are nowadays at the center of researchers’ attention mainly due to reducing size and weight of traction transformers in railway vehicles. Our contribution aims to use the SST as a cornerstone of an Energy Router that should replace a typical distribution substation with a classical transformer. After a general overview of SST topologies classification an overview of design guidelines for key SST components (ferrite cores for medium frequency (MF) transformers, semicon-ductors and high voltage capacitors) is presented for two topologies that seem to be promising for energy applications: classical three-stage SST and two-stage SST with a low voltage DC link and galvanic insulation in the first stage. These two topologies are then compared from an economical point of view based on acquisition cost of key components in order to evaluate whether the technology has matured to be used commercially.

This paper deals with the design of all “power” capacitors in two variants of a solid-state transformer (SST) described in this work. SSTs are nowadays at the center of attention mainly due to reducing the size and weight of traction transformers in railway vehicles and in power transfer, where it should be part of an energy router that could replace the distributional transformer. In the case of three-stage SST, there are three types of capacitors: in submodules of a modular multilevel converter (MMC), in the MV-DC link, and on outputs of the galvanic insulation modules (DAB). In the case of two-stage SST, there are two types of capacitors: one type is in the DC link, and another type is on the outputs of the galvanic insulation modules, similarly as in the previous case. If we choose the same voltage levels for the DAB, we will get different numbers of DAB needed for the two variants of SSTs with different capacitors and medium frequency transformers (MF Tr).

Jednou z hlavních výzev pro současnou elektrizační soustavu nejen u nás, ale i ve světě je integrace narůstajícího počtu malých výroben elektrické energie, z nichž značná část navíc využívá nepředvídatelné zdroje obnovitelné primární energie, jako je energie vody nebo větru. Modernizace elektrických sítí a přechod k tzv. chytrým sítím (Smart Grids) se dotýká takřka každého aspektu soustavy, a v budoucnu se tak nejspíše nevyhne ani náhradě klasického distribučního transformátoru jiným zařízením, které umožní daleko operativnější řízení toků elektrické energie. Takovým zařízením by v budoucnu mohl být tzv. energy router, jehož silová část je tvořená tzv. solid state transformátorem (SST). Tento článek přináší nejen popis toho, jak by takové zařízení mohlo vypadat, ale ukazuje také možný způsob řízení výkonu SST.

MMC je topologie měničů populární pro své dobré vlastnosti, jako je například nízký obsah vyšších harmo-nických a absence velkých filtrů na stejnosměrné straně měniče. Tento článek obsahuje obecný postup pro návrh velikosti kondenzátorů použitých v submodulech měniče na základě toku energie měničem odvozeného pro základní frekvenci.

Článek po úvodním přehledu historického vývoje elektrických energetických sítí vysvětluje pojem energy router pomocí podobnosti energetické sítě s internetem. Současně jsou také popsány hlavní odlišnosti energetické sítě a internetu. V dalších částech článku jsou blíže popsány části energy routeru – modul výkonové elektroniky, komunikační modul a modul inteligentní sítě. Z nich je podrobněji popsáno řešení modulu výkonové elektroniky pomocí SST (Solid State Transformer). V další části článku je popsáno klasické řízení toku činného a jalového výkonu i řízení toku energií pomocí modulu výkonové elektroniky. Na závěr článku jsou popsány komponenty inteligentní sítě.

Many buzzwords concerning the problematic of energy production and its effective (smart) utilization in industry as well as in households – like Smart Grid, Big Data, Industry 4.0, Energy Router, Green Energy etc. – are often used in many different meanings or even only for making one’s idea more attractive. Nevertheless, their definitions aren’t united or they don’t express the essence in their entirely. The aim of this paper isn’t to define some of the buzzwords; however, it tries to explain what is really a so called energy router and why is it spoken about in the context of existing and to the near future planned system of electrification in the central Europe. Some kinds of energy storage are integral to the modern grid. The short overview of energy storage devices is presented at the end. This text should make the understanding of the problematic in wider extent easier.