Conversores de Média Tensão: Alternativa Custo-Efetiva a Transformadores de Rede

Eletrônica de Potência INSIDER

Conversores de média tensão poderiam oferecer uma maneira mais acessível e eficiente de transportar eletricidade de usinas para residências e empresas. Novo banco de testes da NREL poderia ajudar a avançar estas tecnologias promissoras. (Imagem: Josh Bauer, NREL)

Necessidade de Expansão da Rede

Para eletrificar tudo, de veículos a sistemas de aquecimento e fogões, a rede dos EUA deve expandir em cerca de 57% e se tornar mais flexível. Energia solar e eólica são as renováveis mais propensas a dominar uma futura rede de energia limpa. Mas elas são encontradas principalmente em áreas remotas, longe dos centros que precisam de sua energia, o que é um fardo para o sistema de transmissão.

Nos últimos quatro anos, a equipe da NREL construiu um banco de testes para estudar conversores de média tensão back-to-back (1 kV a 35 kV), que poderiam substituir transformadores de média tensão a uma fração do peso e custo.

"Este é um novo tipo de equipamento que abre uma maneira totalmente nova para uma concessionária gerenciar seus sistemas de distribuição", disse Barry Mather, pesquisador da NREL. "Níveis muito mais altos de recursos de energia distribuída poderiam ser colocados em um circuito se você tivesse este dispositivo extra dentro do sistema."

"A rede dos EUA é um pouco única", disse Mather. "Temos distribuição de média tensão que acaba bem perto de nossos clientes." Os alimentadores de média tensão levam energia a um transformador local que a reduz para níveis residenciais padrão de 208/120 volts.

Vantagens dos Conversores Back-to-Back

Digamos que um galho de árvore caia em uma linha de energia, cortando eletricidade de um bairro. Hoje, um trabalhador da concessionária pode abrir e fechar chaves em um transformador para mover energia de uma linha próxima para a interrompida e restaurar pelo menos alguma energia enquanto os trabalhadores removem a árvore. Mas se pudermos substituir um transformador por um conversor back-to-back, a energia poderia ser redirecionada automaticamente, reduzindo tempos de interrupção.

Compartilhamento de energia não é apenas benéfico em emergências. Muitos dos painéis solares de telhado de hoje devem primeiro converter sua energia para baixas tensões e depois para média tensão. Com conversores de média tensão, essa energia pode pular um obstáculo desnecessário.

"É tipo uma arbitragem de energia através do sistema de distribuição", disse Mather. "Permite mitigar muitos dos impactos de recursos distribuídos, especificamente solar."

Em resumo, conversores de média tensão poderiam ajudar concessionárias a controlar com segurança como e onde a eletricidade se move através de redes locais. E isso poderia ajudar a tornar uma futura rede de energia limpa tanto resiliente quanto confiável.

Desafios de Teste e Validação

Conversores de média tensão ainda são uma tecnologia relativamente nova. Isso significa que devem passar por testes extensivos para garantir que são eficientes, acessíveis e seguros o suficiente para introduzir na rede de energia dos EUA.

Mas não é fácil construí-los ou estudá-los. "A lista de verificação para procedimentos de inicialização, operação e desligamento teve que ser escrita e reescrita", disse Ramanathan Thiagarajan, engenheiro de pesquisa na NREL.

Para o banco de testes da NREL, a equipe construiu uma réplica do tipo de sistema de energia que poderia se beneficiar de seus conversores de média tensão. Segurança — para a equipe mas também para o protótipo — era a prioridade máxima. Todo o banco de testes, que ocupa um espaço do tamanho de um ônibus urbano, é cercado por uma cerca preta.

Os parceiros acadêmicos da equipe construíram um protótipo: um conversor de potência de 10 quilovolts baseado em carbeto de silício projetado para trabalhar back-to-back com seu gêmeo. Quando os pesquisadores estavam prontos para conectar o protótipo à sua réplica de rede, eles aumentaram a tensão gradualmente até atingir a faixa de média tensão. O protótipo era precioso demais (e caro) para arriscar danificá-lo com um surto de tensão.

"Conseguimos chegar à faixa de 5 quilovolts", disse Mather. "Não é um número massivo, mas é mais alto do que qualquer outro já operou."

Em seguida, planejam abrir seu banco de testes para mais pesquisa sobre como dispositivos de média tensão poderiam ajudar a rede a se adaptar ou confiar no hidrogênio como outra fonte de energia limpa. A equipe da NREL também espera atingir tensões ainda maiores em uma instalação totalmente nova. "Conversão de potência de média tensão em geral parece que seu dia está se aproximando rapidamente", disse Mather. "Vamos ver mais e mais aplicações e mais e mais pessoas interessadas nisso.

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