Повна система знань про твердотільний трансформатор (SST).

1. Основне визначення та псевдоніми

Твердотільний трансформатор (SST), академічна назваСиловий електронний трансформатор (PET), також відомий як інтелектуальна твердотільна-підстанція або маршрутизатор енергії в промисловості.

По суті, це не трансформатор із-залізним сердечником, це модульний силовий електронний пристрій, який об’єднує випрямлення, інверсію, високо-частотну ізоляцію та регулювання якості електроенергії. Він покладається на широкозонні-напівпровідники SiC/GaN для реалізації перетворення напруги та ізоляції за допомогою високо-перемикання частот, відмовляючись від традиційної 50 Гц{6}}частотної-структури залізного ядра.

Термін «твердий-стан» вказує на відсутність обертових частин або-масляних залізних ядер; увесь пристрій повністю складається з твердотільних-напівпровідникових компонентів, що відрізняє його від-наповнених рідким маслом-силових трансформаторів частоти.

2. Принцип роботи

Виходить з формули електромагнітної індукції:

Площа-перерізу залізного сердечникаSобернено пропорційна робочій частотіf.

Традиційні силові-трансформатори частоти працюють на фіксованій частоті 50 Гц, тому потрібні громіздкі залізні сердечники.

SST підвищує робочу частоту до20 кГц ~ 200 кГц, зменшуючи обсяг магнітних компонентів до 1/10 ~ 1/5 від початкового розміру для мініатюризації.

Основний три{0}}ланцюг перетворення електроенергії:

Частота мережі змінного струму висока-напруга змінний струм → кероване випрямлення → висока{1}}шина постійного струму

Постійний струм високої-напруги, інвертований у змінний струм-високої частоти → ізольована трансформація напруги за допомогою компактного високочастотного трансформатора-

Випрямлений/інвертований високочастотний змінний струм на вторинній стороні → низька{1}}частотний змінний струм або висока{2}}напруга постійного струму

Технічні дані

3. Три основні комерційні топології

(1) Три-ступенева топологія (промисловий основний, повно-функціональний тип)

Структура:Випрямний каскад змінного/постійного струму + високочастотний{1}}ізольований каскад + інверторний каскад постійного/змінного струму

Вхідний каскад: багаторівневе випрямлення каскадного H-(CHB)/MMC адаптується до мереж середньої-напруги 10 кВ і 35 кВ, реалізуючи корекцію коефіцієнта потужності та придушення гармоній;

Ступінь ізоляції: резонансний перетворювач DAB (подвійний активний міст) / CLLC (поступова заміна DAB для повного-м’якого{1}}перемикання-навантаження та менших втрат) + високочастотний-нанокристалічний трансформатор з магнітним сердечником;

Вихідний каскад: можливий вихід змінного струму або вихід шини 800 В постійного струму.

Переваги: шини постійного струму існують як на сторонах високої, так і на низькій напрузі, що забезпечує двонаправлений потік електроенергії, одночасне придушення гармонік, доступ до накопичувачів енергії та адаптацію до гібридних електромереж змінного-постійного струму.

Додатки: розподільчі підстанції 10 кВ, джерело живлення для обчислювальних центрів AI, інтегровані фотоелектричні-накопичувачі-зарядні станції.

(2) Дво-етапна топологія (полегшена низька-схема витрат)

Два типи: шина постійного струму на боці високої-напруги або шина постійного струму на боці-низької напруги. Структура: випрямлення AC/DC + одно-каскадне ізольоване перетворення DC/DC.

Пост{0}}каскадний інвертор не виводить постійний струм напряму, має простішу структуру та менші втрати.

Недолік: перешкоди в електромережі легко поєднуються зі стороною низької-напруги, слабка здатність регулювання якості електроенергії.

Додатки: над-швидкісна зарядка електромобілів, розподілене промислове накопичення енергії, низько-мікромережі.

(3) Одноступенева -матрична топологія AC-AC (передова-лабораторна технологія, не комерціалізована)

Немає проміжних конденсаторів постійного струму. Матричний перетворювач безпосередньо перетворює-частоту змінного струму у високо{2}}частотний змінний струм, а потім відновлює-частоту змінного струму після проходження трансформатора високої{4}}частоти.
Мінімум компонентів і теоретично найвища щільність потужності. Однак без буферних ліній постійного струму флуктуації мережі мають тенденцію виводити з ладу пристрої живлення, а алгоритми керування надзвичайно складні. Перевірено лише в аерокосмічних дослідженнях.

4. Основний апаратний склад

Силові напівпровідники: Основними пристроями є SiC MOSFET на 1200 В / 1700 В; Мікросхеми SiC на 3,3 кВ обслуговують сценарії високої-напруги 35 кВ. Кремнієві IGBT-на основі IGBT поступово припиняються з-SST середньої{7}}напруги через високі втрати при комутації.

Високочастотні магнітні компоненти-: нанокристалічний аморфний сплав, феритові сердечники Mn-Zn (замінюють листи кремнієвої сталі) з ультра-низькими-втратами частоти.

Система контролю: Двоядерна-архітектура DSP+FPGA для розподілу напруги/струму, регулювання напруги-на мілісекундному рівні та блокування збоїв.

Система охолодження: занурювальне рідинне охолодження/пластинчасте водяне охолодження для моделей високої-потужності; повітряне охолодження для малих і середніх установок.

Модульний блок: модульна архітектура-промислового стандарту ISOP (Input Series Output Parallel). Блоки SiC із низькою-напругою з’єднані послідовно, щоб витримувати високу напругу 10 кВ; несправні модулі можна обійти без відключення системи.

5. Порівняння: твердотільний трансформатор із традиційним силовим-трансформатором частоти

6. Детальні-сценарії застосування

(1) Нова система живлення та сторона електромережі

Гнучка твердотільна підстанція-

Замінює застарілі коробчаті трансформатори-типу в містах. Єдиний SST об’єднує регулювання напруги, три-усунення дисбалансу фаз, фільтрацію гармоній та ізоляцію несправностей, вирішуючи такі проблеми, як часті низька напруга та надмірний струм нейтралі в старих житлових районах. Він усуває несправності протягом 0,8 секунди, тоді як традиційним трансформаторам потрібно більше 12 секунд.

Офшорні платформи для посилення вітрової енергії

Морські платформи відрізняються обмеженим простором і високою вартістю будівництва. SST скорочує об’єм на 70%, усуваючи великі кабіни силових-частотних трансформаторів, щоб зменшити витрати на морське будівництво та підйом. Вихідний сигнал постійного струму від морських вітрових турбін можна напряму під’єднати до SST для підвищення -передачі.

Не-мікросітки

Для віддалених островів, прикордонних форпостів і польових фотоелектричних баз PV + накопичувач енергії + SST утворюють контейнерні автономні-енергетичні системи для автоматичної стабілізації періодичних коливань вихідної фотоелектричної енергії.

(2) Обчислювальні центри та центри обробки даних (найшвидший комерційний шлях)

SST стає стандартним джерелом живлення постійного струму з високою напругою 800 В- для кластерів AIDC NVIDIA & Huawei. 10 муніципальне електропостачання кВ підключається безпосередньо до SST і перетворюється на 800 В постійного струму для шаф GPU.

Усуває 5-з’єднання ступінчастого перетворення (трансформатор 10 кВ → ДБЖ 400 В змінного струму → багатоступеневе випрямлення), підвищуючи загальну ефективність джерела живлення з 91% до 97,5%.

Струм кабелю різко падає, споживання міді скорочується на 55%, що дозволяє встановити на 30% більше обчислювальних шаф у залах даних.

Вбудовані-інтерфейси зберігання енергії підключають батареї до шин постійного струму для плавного перемикання живлення та нульового простою комп’ютера під час відключень.

Пілотні проекти виконуються в кластері Guian East-data West-computing Cluster, Tencent Qingyuan Computing Base та Alibaba Zhangbei Computing Park.

(3) Транспортна галузь

Бортові-тягові трансформатори для-швидкісних поїздів і електропоїздів

Заміна-силових-частотних тягових трансформаторів на високо-частотні SST знижує вагу транспортного засобу на 40%, зменшуючи знос коліс-рейок і споживання енергії поїздом. Електроенергію, регенеровану під час гальмування, можна подавати назад в мережу або подавати на сусідні поїзди, скорочуючи загальне споживання електроенергії на 10%~15%.

Гнучке джерело живлення для систем метро

Лінії метро в Гуанчжоу та Шеньчжені виконують пілотні проекти SST для тягового електропостачання, щоб усунути гармонічне забруднення, спричинене роботою метро, ​​та утилізувати енергію гальмування, зменшивши вдвічі площу підстанцій метро.

Портове берегове електропостачання для суден

Судна по всьому світу застосовують різні стандарти напруги та частоти (6 кВ/10 кВ, 50 Гц/60 Гц). SST адаптується до довільної напруги та частоти, щоб забезпечити безперебійне підключення до мережі для кораблів різних країн і уникнути-підключених до мережі стрибків напруги, які пошкоджують системи живлення суден.

(4) Промислове прецизійне джерело живлення

Цехи виготовлення пластин і літографії для напівпровідникової промисловості

Обладнання для літографії та травлення надзвичайно чутливе до перепадів напруги; коливання напруги на 0,5% призведе до браку пластини. SST активно ізолює удари блискавки та дугові перешкоди від мережі, забезпечуючи чисту потужність із загальним коефіцієнтом гармонійних спотворень (THD) < 2%.

Металургійні дугові печі та велико{0}}масштабні промислові накопичувачі енергії

Металургійні заводи зберігають електроенергію в-години пік і розряджають електроенергію в періоди пік. У поєднанні з двонаправленим перетворенням SST для зберігання енергії під високою{2}}напругою промислові витрати електроенергії зменшуються.

7. Вузькі місця індустріалізації

Вартісний бар'єр
Високовольтні модулі живлення з SiC залишаються дорогими. Загальна вартість SST на 10 кВ у 3–6 разів більша за-силовий-трансформатор частоти з такою ж-потужністю, що не має економічних переваг для звичайних житлових розподільних мереж.

Виклик із-високочастотної ізоляції
Високочастотні-електричні поля легко викликають частковий розряд, прискорюючи старіння ізоляційних матеріалів під високою напругою та обмежуючи загальний термін служби, що є найбільшою технічною складністю для високовольтної SST.

Слабка здатність пристроїв витримувати-коротке замикання
Трансформатори-частоти живлення витримують кілька секунд короткого-замикання, тоді як напівпровідники SiC згорають за мікросекунди в умовах короткого-замикання. Мульти-модулі захисту та байпасу повинні бути встановлені в системах керування, що збільшує складність системи.

Погана ефективність-навантаження
Коли навантаження нижче 30% від номінальної потужності, втрати на перемикання переважають над втратами потужності SST, а ефективність падає нижче 93%. Навпаки, трансформатори силової{3}}частоти зберігають ефективність вище 98% за невеликого навантаження, що робить SST непридатним для сільських розподільних станцій із постійно низьким навантаженням.

Недосконала система експлуатації та обслуговування
Традиційні трансформатори мають зрілі та широко поширені системи обслуговування. SST об’єднує силову електроніку, вбудоване керування та високо{1}}магнітну технологію, що пред’являє вищі технічні вимоги до обслуговуючого персоналу.

8. Майбутні тенденції розвитку

Оновлення пристрою: поступове впровадження високовольтних пристроїв 3,3 кВ і 6,5 кВ-SiC зменшує кількість послідовно-з’єднаних блоків і спрощує структуру SST 10 кВ/35 кВ; Пристрої GaN проникають у застосування високої-потужності середньої-напруги.

Ітерація топології: резонансна топологія CLLC повністю замінює DAB, щоб вирішити проблему великих втрат DAB під невеликим навантаженням. Щойно проблеми з керуванням буде вирішено, одно{1}}топологію AC-AC буде застосовано в легких аерокосмічних сценаріях.

Висока інтеграція: Компоненти живлення, приводу та датчика упаковані в вбудовані модулі SiC IPEM для подальшого зменшення обсягу пристрою.

Диференціація застосування

Звичайні міські та сільські розподільчі мережі збережуть традиційні силові{0}}трансформатори частоти;

Обчислювальні центри, над-станції заряджання, офшорні вітроелектростанції та залізничний транспорт стануть свідками широкомасштабної{1}}популяризації SST з 2028 по 2032 рік.

Мережевий додаток: Кілька SST утворюють енергетичний інтернет-кластер для координації фотоелектричних, накопичувальних та зарядних навантажень у регіональних електромережах.