混合断路器可以使直流电在大功率应用中实用

时间:2019-10-07 09:38来源:未知 作者:admin 点击:
直流电(DC)为手电筒,智能手机和电动汽车供电,但是主要的电力用户依赖于交流电(AC),交流电每秒开闭60次。原因之一:当出现问题(称为故障)(例如树倒在电源线上)时,交流电很容易关闭。 但是,直流电具有比其交替表亲更高的固有优势,其中包括更高的效率以及

  直流电(DC)为手电筒,智能手机和电动汽车供电,但是主要的电力用户依赖于交流电(AC),交流电每秒开闭60次。原因之一:当出现问题(称为故障)(例如树倒在电源线上)时,交流电很容易关闭。

  但是,直流电具有比其交替表亲更高的固有优势,其中包括更高的效率以及在更长距离上承载更多功率的能力。随着农村地区的风电场产生人口中心所需的电力,这可能变得越来越重要。未来的电动飞机和轮船很可能将由高功率密度直流系统供电。

  当一个周期内的功率水平达到零(正弦波的零交叉点)时,交流电可以关闭,这是断路器保护从变电站到家庭安装的现代电力系统的基础。但是,如果没有这些交流周期,直流电将没有时间关闭电源。

  由ARPA-E的BREAKERS计划获得330万美元奖励的新技术可以利用电力电子,压电致动器和新型绝缘材料的创新来解决该问题,从而使大功率直流断路器可行。佐治亚理工学院和佛罗里达州立大学(FSU)的研究人员期望使断路器的开关速度比现有设备快十倍,并通过行业合作伙伴联盟将该技术商业化。

  佛罗里达州立大学中心研究员Michael“ Mischa” Steurer说:“从交流到直流的过渡已经在发生,它将为在未来的电气系统和军事平台中高效,可控地管理电力开辟新的范式。”适用于高级电源系统。“这将得益于过去二十年来电力电子领域的惊人发展。”

  研究小组正在开发的混合断路器将在必要时使用非常大的晶体管堆叠来关闭DC。半导体传导电流的效率不如常规机械开关,因此在正常条件下,电流将流过机械开关。但是,当必须关闭电源时,电流将短暂流过电力电子设备,直到可以打开机械断路器。

  佐治亚理工学院电气与计算机工程学院的助理教授卢卡斯格拉伯(Lukas Graber)解释说:“我们正在提出一种混合式直流断路器,该断路器中的电流将有两条路径。” “一条路径将流经半导体,在需要时可以中断电流。第二条路径将流经机械开关,机械开关将提供更少的电阻性路径,对正常操作更有效。”

  在普通的消费电子应用中,晶体管太小而看不到并只能承受几伏特的电压。用于直流开关的晶体管要大得多(一平方厘米),数十或数百个晶体管将串联或并联组合,以提供足够的容量来开关数千伏特。在电流流到固态晶体管通道后,压电致动器将在电流过高之前迅速将机械开关中的触点分开。一旦分离,就可以切断流过晶体管的电流。

  格拉伯说:“我们需要非常快。” “我们必须在250微秒内分离触点,并在500微秒内(仅半毫秒)完全断开电流。因此,我们不能使用交流断路器通用的弹簧执行器或液压执行器。依靠压电效应的设备可以为我们做到这一点。”

  佐治亚理工学院和FSU的研究人员已经为拟议的直流断路器的组件开发了知识产权,并将共同努力以结合这些技术。该项目被称为带电涌保护的高效直流中断器(EDISON)。

  Steurer说:“我们将把固态和机械等截然不同的技术的优势结合到一个整体上比单个组件更好地运行的系统中。” “系统的各个部分必须在半毫秒内无缝协作才能实现我们的目标。”

  研究人员(包括佐治亚理工学院VentureLab首席研究员乔纳森高德曼(Jonathan Goldman)副教授Maryam Saeedifard和佐治亚理工学院的博士后研究员Chanyeop Park,卡尔舒德(Karl Schoder)研究学院的方鹏教授以及FSU的助理研究员袁力,期望建立一个原型,并将在FSU在三年内建立了5兆瓦的测试设施。香港马会主论坛,开发和测试将与一组工业合作伙伴协作完成,这些合作伙伴最终将直流断路器过渡到商业用途。

  随着更多的可再生能源上网,直流电可能特别有用。东方的太阳落山后,西部的光伏发电可能仍在发电。风力涡轮机可能正在该国中部发电,而云则覆盖了该国其他地区。因此,将功率从一个位置传输到另一位置可能变得更加重要。

  格拉伯说:“与可再生能源之间的距离很长。” “当我们重新思考下一个网格将是什么样时,DC可能会发挥更大的作用。”

  对于那些了解电力历史的人来说,这项工作开启了故事的新篇章,该故事可以追溯到将近一个半世纪以来的两位有史以来最著名的发明家。

  直流电与交流电的相对优势为1880年代发明家托马斯爱迪生和尼克拉斯特斯拉之间的“电流战”奠定了基础。支持直流电的爱迪生最终输给了特斯拉的交流电。但是,如果爱迪生能够使用现代电力电子技术,那么情况可能会有所不同。

  格拉伯说:“爱迪生是对的,但当时他错了。” “ DC恢复强劲,我们将成为使其实用的一部分。”

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